DE102017131085A1 - Plasma polymer solid, in particular plasma polymer layer with hydrocarbon network formation, their use and process for their preparation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen plasmapolymeren Festkörper, insbesondere eine plasmapolymere Schicht, wobei die Untergrenze des E-Moduls des Festkörpers bzw. der Schicht durch eine bestimmte Funktion festgelegt ist, was für bestimmte Bereiche des E-Moduls gilt und für bestimmte C/O Stoffmengenverhältnisse ermittelt mittels XPS. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines entsprechenden plasmapolymeren Festkörpers bzw. eine plasmapolymere Schicht sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a plasma polymer solid, in particular a plasma polymer layer, wherein the lower limit of the modulus of elasticity of the solid or the layer is determined by a specific function, which applies to certain areas of the modulus and determined by means of certain C / O molar ratios XPS. The invention further relates to the use of a corresponding plasma polymer solid or a plasma polymer layer and a process for their preparation.
Description
Die Erfindung betrifft einen plasmapolymeren Festkörper, insbesondere eine plasmapolymere Schicht, wobei die Untergrenze des E-Moduls des Festkörpers bzw. der Schicht durch eine bestimmte Funktion festgelegt ist, was für bestimmte Bereiche des E-Moduls gilt und für bestimmte C/O Stoffmengenverhältnisse ermittelt mittels XPS. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines entsprechenden plasmapolymeren Festkörpers bzw. einer plasmapolymeren Schicht sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a plasma polymer solid, in particular a plasma polymer layer, wherein the lower limit of the modulus of elasticity of the solid or the layer is determined by a specific function, which applies to certain areas of the modulus and determined by means of certain C / O molar ratios XPS. The invention further relates to the use of a corresponding plasma polymer solid or a plasma polymer layer and a process for their preparation.
Zur Herstellung sowohl von Easy-to-clean Beschichtungen, also im Reinigungsverhalten verbesserter Beschichtungen, als auch trockenchemisch abgeschiedener Trennschichten, hergestellt mittels Plasmapolymerisation bzw. PE-CVD besteht trotz aller bisherigen Bemühungen und Entwicklungen nach wie vor der Bedarf, die mechanische Beständigkeit derartiger Beschichtungen und damit deren Gebrauchsfähigkeit zu erhöhen, ohne den abweisenden Charakter (eine niedrige Oberflächenenergie (OFE) mit kleinstmöglichem polaren Charakter) der Schicht zu verlieren.For the production of both easy-to-clean coatings, ie in the cleaning behavior of improved coatings, as well as dry chemical deposited release layers, prepared by plasma polymerization or PE-CVD is despite all efforts and developments as before the need, the mechanical resistance of such coatings and in order to increase their usability without losing the repellent character (a low surface energy (OFE) with the least possible polar character) of the layer.
Die
Plasmapolymere Dünnschichten können nicht nur als trockene Trennschicht auf Formgebungswerkzeugen eingesetzt werden, sondern auch zur Ausrüstung von Gebrauchsgegenständen oder Maschinenteilen, um deren Reinigung zu erleichtern bzw. zu ermöglichen. Von besonderem Interesse sind derartige Eigenschaften für Sensorprodukte, für Sanitärprodukte, für Artikel in der Lebensmittel- und Pharmazieverarbeitung, als auch z.B. für formgebende Werkzeuge.Plasma polymers Thin films can be used not only as a dry release layer on forming tools, but also for the equipment of utility articles or machine parts, to facilitate their cleaning or. Of particular interest are such properties for sensor products, sanitary ware products, food and pharmaceutical processing articles, as well as e.g. for shaping tools.
Auch in dieser Anmeldung ist der Ausgangspunkt, dass die Härte von plasmapolymeren Schichten durch das Verhältnis von Sauerstoff zu siliziumorganischen Precursorn im Plasmaprozess und im Resultat das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff in der Beschichtung beeinflusst wird. Dementsprechend ist die Lehre dieses Dokuments, dass es möglich ist, bei einem Verhältnis von siliziumorganischem Precursor zu Sauerstoff von 2 zu 1 durch die Variation der Leistung den E-Modul bzw. die Härte zu erhöhen ohne zu starken Einfluss auf die Oberflächenenergie zu nehmen. Diesen Umstand erkennt man unter anderem daran, dass sich die Maximumlage des Si2p-Peaks mit wachsendem E-Modul zu höheren Energielagen verschiebt. Dies ist ein klarer Hinweis auf ein stärker ausgeprägtes Si-O-Netzwerk.Also in this application, the starting point is that the hardness of plasma polymer layers is influenced by the ratio of oxygen to organosilicon precursors in the plasma process and, as a result, the ratio of oxygen to carbon in the coating. Accordingly, the teaching of this document is that it is possible, with a ratio of organosilicon precursor to oxygen of 2 to 1 by the variation of the power to increase the modulus of elasticity or the hardness without taking too much influence on the surface energy. One recognizes this circumstance by the fact that the Maximum position of the Si2p peak with increasing modulus of elasticity shifts to higher energy levels. This is a clear indication of a more pronounced Si-O network.
Zur Herstellung der Beschichtung wird angegeben, dass bevorzugt Plasmaanlagen mit HF-Einkopplung zu verwenden sind, welche derart gestaltet sind, dass der Self-Bias bei nahe Null verbleibt. Die Gesamtleckrate wird mit kleiner als 0,3 mbar l/s angegeben. Dies entspricht einem Grenzwert von 17,75 sccm und liegt damit bei ca. 50% der im Beispiel zugeführten Sauerstoffmenge. Die für den Prozess notwendige Leistung kann aus den Beispielen mit Werten ab 10,5 W/sccm abgeleitet werden.For the production of the coating, it is stated that it is preferable to use plasma systems with RF coupling designed in such a way that the self-bias remains close to zero. The total leak rate is given as less than 0.3 mbar l / s. This corresponds to a limit of 17.75 sccm and is thus about 50% of the amount of oxygen supplied in the example. The power required for the process can be deduced from the examples with values from 10.5 W / sccm.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Vernetzungsnetzwerk von siliziumorganischen PE-CVD Schichten ein Si-O- Netzwerk ist, welches ausgehend von einer PDMS-ähnlichen Schicht kontinuierlich modifiziert werden kann, so dass am Ende ein amorpher SiO2-Film entsteht. Es wird somit immer mehr Sauerstoff in die Beschichtung eingebaut und im Gegenzug Kohlenwasserstoffe entfernt. Ausgehend von Siliziumatomen, welche über zwei Sauerstoffatome in unmittelbarer Nachbarschaft verfügen (sekundäres Si; PDMS) über eine zunehmende Anzahl von tertiären und quartären Si-Verbindung (3 bzw. 4 Sauerstoffatome in der unmittelbaren Nachbarschaft) hin zu Beschichtungen mit rein quartären Si-Verbindungen (SiO2).It is known from the prior art that the crosslinking network of organosilicon PE-CVD layers is a Si-O network which can be continuously modified starting from a PDMS-like layer so that an amorphous SiO 2 film is formed at the end. Thus, more and more oxygen is incorporated into the coating and, in turn, hydrocarbons are removed. Starting from silicon atoms, which have two oxygen atoms in the immediate vicinity (secondary Si, PDMS) over an increasing number of tertiary and quaternary Si compound (3 or 4 oxygen atoms in the immediate vicinity) towards coatings with purely quaternary Si compounds ( SiO 2 ).
Eine Übersichtsarbeit findet sich im Dokument The Hererogenieus nature of Deposits from Hexamethyldisiloxane/oxygen Plasmas";
Der vermehrte Einbau von Sauerstoff in das Netzwerk wird entweder durch ein erhöhtes Angebot an Sauerstoff (insbesondere bei gleichbleibender Gesamtgasmenge) erreicht und/oder durch die Erhöhung der Plasmaleistung, so dass eine stärkere Fragmentierung stattfindet und das Sauerstoffangebot vom Silizium genutzt werden kann.The increased incorporation of oxygen into the network is achieved either by an increased supply of oxygen (in particular with a constant total amount of gas) and / or by increasing the plasma power, so that a stronger fragmentation takes place and the oxygen supply can be used by the silicon.
Steigt die Oberflächenenergie und mit ihr der polare Anteil, so gehen sukzessive die Easy-to-clean Eigenschaften bzw. das Trennvermögen verloren, weil Verschmutzungen oder allgemein Materialien, welche in den Oberflächenkontakt kommen zunehmend stärker über die Oberflächenpolarität adhärieren.If the surface energy increases and with it the polar fraction, then the easy-to-clean properties or the separation capacity are successively lost because soiling or generally materials which come into contact with the surface increasingly adhere to the surface polarity.
In der Literatur findet man nur wenige Hinweise darauf, dass neben dem Si-O Netzwerk grundsätzlich auch Kohlenwasserstoffvernetzungen möglich sind. Hier werden z.B. CH2 - Netzwerke benannt. Diese Überlegungen sind bis heute jedoch eher theoretischer Natur und aus dem Fragmentierungsmechanismus des Hexamethyldisiloxan (HMDSO) abgeleitet, denn es gibt bisher keine konkreten Hinweise darauf, dass diese Verknüpfungen tatsächlich in relevanter Anzahl hergestellt werden. Folglich gibt es auch keinerlei Hinweise darauf, welche Änderungen im chemisch-physikalischen Verhalten sich hieraus ergeben, und insbesondere welche technischen Maßnahmen zu ergreifen sind, um einen derartigen Vernetzungsmechanismus zu befördern.In the literature, there are only a few indications that in addition to the Si-O network, in principle, hydrocarbon crosslinks are possible. For example, CH 2 networks are named here. However, these considerations are still rather theoretical in nature and are derived from the fragmentation mechanism of hexamethyldisiloxane (HMDSO), since there are no concrete indications that these linkages are actually produced in relevant numbers. Consequently, there are no indications as to what changes in the chemical-physical behavior result from this, and in particular which technical measures are to be taken to promote such a networking mechanism.
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung anzugeben, welche hohe E-Module mit einem geringen polaren Anteil an Oberflächenenergie ermöglicht. Insbesondere sollte eine Verbesserung gegenüber der in der
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen plasmapolymeren Festkörper, insbesondere eine plasmapolymere Schicht wobei die Untergrenze des E-Moduls des Festkörpers durch folgende Funktion (1) bestimmt ist:
x = C/O Stoffmengenverhältnis ermittelt mittels XPS
E = E-Modul [GPa]
für E = 1,5 bis 20 GPa und
x ≥ 1,3 und ≤ 2,0.This object is achieved by a plasma polymer solid, in particular a plasma polymer layer wherein the lower limit of the modulus of elasticity of the solid is determined by the following function (1):
x = C / O molar ratio determined by XPS
E = modulus of elasticity [GPa]
for E = 1.5 to 20 GPa and
x ≥ 1.3 and ≤ 2.0.
Überraschender haben die Erfinder Arbeitsbedingungen gefunden, welche es erlauben, eine plasmapolymere Beschichtung mit einem neuartigen, zweiten Vernetzungsmechanismus herzustellen bzw. diesen gezielt zu beeinflussen. Diese neuartige Vernetzung ist unabhängig vom ebenfalls vorhandenen Si-O-Netzwerk. Die zusätzliche Vernetzung erfolgt über Kohlenwasserstoffbrücken, primär über CH2-CH2-Brücken. Somit kann der Si-Gesamtvernetzungsgrad unabhängig vom Si-O - Netzwerk kontrolliert und über die in das Plasma eingekoppelte Leistung während der Abscheidung gesteuert werden. Es kann ein Gesamtvernetzungsgrad von über 75% erreicht werden, wie er sonst nur von einem polaren Referenzmaterial wie Polymethylsilsesquioxan erreicht wird. Dieser sekundäre Vernetzungsmechanismus sorgt überraschenderweise für eine signifikante Erhöhung des E-Moduls ohne zusätzlichen Sauerstoff in das Schichtnetzwerk einbauen zu müssen. Durch die zusätzliche Vernetzung nimmt die Dichte der Beschichtung deutlich zu. Sie kann Werte größer 1,2 g/cm3 erreichen und ist vom Vernetzungsgrad abhängig und damit von der eingekoppelten Plasmaleistung. Surprisingly, the inventors have found working conditions which make it possible to produce a plasma-polymer coating with a novel, second crosslinking mechanism or to specifically influence this. This novel networking is independent of the existing Si-O network. The additional crosslinking takes place via hydrocarbon bridges, primarily via CH 2 -CH 2 bridges. Thus, the Si total crosslinking level can be controlled independently of the Si-O network and controlled by the power coupled into the plasma during deposition. It can be achieved a total degree of crosslinking of over 75%, as it is otherwise only achieved by a polar reference material such as polymethylsilsesquioxane. This secondary crosslinking mechanism surprisingly provides for a significant increase in modulus of elasticity without the need for additional oxygen in the layered network. Due to the additional crosslinking, the density of the coating increases significantly. It can reach values greater than 1.2 g / cm 3 and depends on the degree of crosslinking and thus on the coupled-in plasma power.
Durch diese neuartige Netzwerkstruktur der Beschichtung steigt nicht nur der E-Modul stark an, sondern die Beschichtung weist eine geringere Dichte auf, als nicht erfindungsgemäße Schichten gleichen E-Moduls, welche im Wesentlichen nur über ein Si-O-Netzwerk verfügen. Bei gleichen Si-O-Netzwerk verfügen die erfindungsgemäßen Schichten dementsprechend über eine höhere Dichte als diejenigen aus dem Stand der Technik, die keine Vernetzung über Kohlenwasserstoffbrücken aufweisen. Ferner steigt der Brechungsindex. Weiterhin ist zu beobachten, dass die Oberflächenenergie ansteigt, jedoch mit nur einem sehr, sehr moderaten Anstieg des polaren Anteils, denn es werden kaum mehr OH-Gruppen oder andere polare Gruppen erzeugt. Durch die Dichteerhöhung steigt allerding der disperse Anteil der Oberflächenenergie an: Mehr Moleküle stehen für die Wechselwirkung mit der Prüfflüssigkeit zur Verfügung.Due to this novel network structure of the coating not only the E-modulus increases strongly, but the coating has a lower density than non inventive layers of the same modulus of elasticity, which essentially have only one Si-O network. Accordingly, in the case of the same Si-O network, the layers according to the invention have a higher density than those from the prior art, which do not have cross-linking via hydrocarbon bridges. Furthermore, the refractive index increases. Furthermore, it can be observed that the surface energy increases, but with only a very, very moderate increase in the polar fraction, since hardly any more OH groups or other polar groups are generated. Due to the increase in density, however, the disperse fraction of the surface energy increases: More molecules are available for the interaction with the test liquid.
Der Bereich des erfindungsgemäßen Merkmalfensters ist in
Die Lage des Si 2p-Peaks (Maximum) gibt Auskunft über die Sauerstoffhaltigen NahBindungsverhältnisse am Si-Atom innerhalb der plasmapolymeren Schicht, was Hinweise über das in der Schicht erzeugte Si-O-Netzwerk beinhaltet. Niedrige Si 2pPeaklagen weisen auf eine sauerstoffarme Si-Umgebung hin. Steigt sie an, so wird das Si-O-Netzwerk immer stärker ausgebildet bis hin zu einem SiO2-ähnlichen Netzwerk. Im Sinne der Erfindung ist es, wenn der Plasmapolymerisationsprozess so geführt wird, dass einerseits die Bildung des Si-O-Netzwerkes allein vom Verhältnis des siliziumorganischen Precursors zu Sauerstoff abhängig ist und gleichzeitig Kohlenwasserstoffbrücken ein zweites unabhängiges Netzwerk bilden. Letzteres manifestiert sich in einem hohen C/O-Verhältnis und folglich einer niedrigen Oberflächenenergie mit sehr geringen polaren Anteilen.The position of the Si 2p peak (maximum) provides information about the oxygen-containing near bond conditions at the Si atom within the plasma polymer layer, which contains information about the Si-O network generated in the layer. Low levels of Si 2p pollution indicate a low-oxygen Si environment. If it increases, the Si-O network is increasingly being formed, as far as a SiO 2 -like network. In the context of the invention, when the plasma polymerization process is conducted such that, on the one hand, the formation of the Si-O network is dependent solely on the ratio of the organosilicon precursor to oxygen and, at the same time, hydrocarbon bridges form a second independent network. The latter manifests itself in a high C / O ratio and consequently low surface energy with very low polar contents.
Wie bereits angedeutet, wurde von Fachleuten bislang regelmäßig versucht, einen erhöhten E-Modul bzw. eine erhöhte Härte durch eine Erhöhung des Sauerstoffanteils während der Schichtbildung zu erzeugen. Dies hatte zwar die gewünschten Folgen für den E-Modul und die Härte, aber die Schichten wurden gleichzeitig nachteilig verändert, da durch die Sauerstoffzugabe zeitgleich Kohlenwasserstoffgruppen abgebaut wurden und das C/O-Verhältnis sank. Letztendlich stieg der polare Anteil der Oberflächenenergie deutlich an.As already indicated, experts have so far regularly tried to produce an increased modulus of elasticity or an increased hardness by increasing the oxygen content during the layer formation. Although this had the desired consequences for the modulus of elasticity and the hardness, but the layers were simultaneously changed adversely, since the addition of oxygen at the same time hydrocarbon groups were degraded and the C / O ratio decreased. Finally, the polar fraction of surface energy increased significantly.
Überraschenderweise hat es sich im Rahmen der Erfindung nun herausgestellt, dass es möglich ist, noch stärker niederenergetische, unpolare, plasmapolymere Beschichtungen mit einem einstellbaren E-Modul nahezu unabhängig vom C/O-Verhältnis herzustellen. Für diesen Ansatz gab es im Stand der Technik bislang keine Hinweise und dementsprechend war es faktisch nicht möglich, die erfindungsgemäßen Schichten gemäß dem oben beschriebenen Merkmalfenster zu erzeugen.Surprisingly, it has now been found in the context of the invention that it is possible to produce even more low-energy, nonpolar, plasma-polymer coatings with an adjustable modulus of elasticity almost independent of the C / O ratio. For this approach, there has hitherto been no indications in the prior art and accordingly it was in fact not possible to produce the layers according to the invention in accordance with the feature window described above.
Mit anderen Worten zeigt das Merkmalsprofil der vorliegenden Erfindung, dass die Schichteigenschaften keineswegs ausschließlich auf der stofflichen Zusammensetzung beruhen, sondern zudem wesentlich durch die Art und Weise der Schichtvernetzung (und damit durch die Plasmapolymerisationsbedingungen) bedingt werden. Allerdings zeigte sich auch, dass das C/O-Verhältnis und parallel hierzu der polare Anteil der Oberflächenenergie bei plasmapolymeren Schichten einen wesentlichen Einfluss auf die Oberflächeneigenschaften (Hydrophilie, Hydrophobizität) haben und gleichzeitig weitgehend unabhängig hiervon der E-Modul einstellbar ist.In other words, the feature profile of the present invention shows that the layer properties are by no means based solely on the material composition, but are also essentially due to the nature of the layer crosslinking (and thus by the plasma polymerization conditions). However, it has also been shown that the C / O ratio and, parallel to this, the polar fraction of the surface energy in plasma polymer layers has a significant influence on the Surface properties (hydrophilicity, hydrophobicity) have and at the same time largely independent of this, the modulus of elasticity is adjustable.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper, insbesondere eine erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht, wobei auf der Oberfläche der Schicht gemessen mittels XPS das Maximum des Si 2p-Peaks bei 102,5-102,8 eV liegt.Preferred according to the invention is a plasma polymer solid according to the invention, in particular a plasma polymer layer according to the invention, the maximum of the Si 2p peak at 102.5-102.8 eV being measured on the surface of the layer by XPS.
Die vollständige atomare Gesamtzusammensetzung der plasmapolymeren Beschichtung wird mit Hilfe der XPS (ESCA-)- Spektroskopie und der Mikroelementaranalyse bestimmt. Ergänzend kann die FTIR-Spektroskopie eingesetzt werden. Die XPS-Spektroskopie muss mit einer hohen Energieauflösung betrieben werden, um ein Peakfitting des Si 2p - Peaks zu ermöglichen. Dabei werden klassisch die 4 Energiezustände des Siliziums für unterschiedlichen Sauerstoffzustände gefittet und ausgewertet. Die erfindungsgemäßen Schichten zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an sekundären Si-Verbindungen aus. Zur Definition und Bestimmung siehe Messbeispiel 6.The complete overall atomic composition of the plasma polymer coating is determined by XPS (ESCA) spectroscopy and microelement analysis. In addition, FTIR spectroscopy can be used. XPS spectroscopy must be operated at a high energy resolution to allow peak fitting of the Si 2p peak. In the process, the four energy states of silicon for different oxygen states are conventionally fitted and evaluated. The layers of the invention are characterized by a high content of secondary Si compounds. For definition and determination see measurement example 6.
Da es möglich ist, mit den neuen Erkenntnissen, auf denen die vorliegende Erfindung beruht, bei einem gegebenen C/O-Verhältnis weitgehend unabhängig hiervon höhere E-Moduli zu erzeugen als bislang im Stand der Technik beschrieben, ist es auch möglich, bei gegebenen E-Moduli besonders günstige Oberflächenenergieverhältnisse zu erzeugen. Auch das war aus dem Stand der Technik nicht vorhersagbar.Since it is possible to generate higher moduli of elasticity with the new knowledge on which the present invention is based, at a given C / O ratio, largely independently of this, than has hitherto been described in the prior art, it is also possible given E -Moduli produce particularly favorable surface energy ratios. This, too, was unpredictable from the state of the art.
Somit ermöglicht es der erfindungsgemäße neue Ansatz, neben der Steuerung Si-O Netzwerkes auch das Si-C Netzwerk gezielt zu beeinflussen, dass Schichten erzeugt werden, die bei gegebenem C-O Verhältnis einen hohen E-Modul aufweisen, ohne jegliche Einbußen hinsichtlich des polaren Anteils der Oberflächenenergie, bzw. der Oberflächenenergie allgemein zu erleiden. Dabei ist der verhältnismäßig hohe E-Modul wünschenswert, um eine mechanische Belastbarkeit zu gewährleisten.Thus, the new approach according to the invention makes it possible, in addition to the control of the Si-O network, to influence the Si-C network in a targeted manner so that layers are produced which have a high modulus of elasticity for a given CO ratio without any loss of polarity Surface energy, or the surface energy in general to suffer. In this case, the relatively high modulus of elasticity is desirable to ensure a mechanical load capacity.
Entsprechend ist ein bevorzugter erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper bzw. eine bevorzugte plasmapolymere Schicht im Sinne der Erfindung ein solcher bzw. eine solche, wobei der maximale polare Anteil der Oberflächenenergie der Oberfläche durch folgende Funktionen (2) oder (2a) bestimmt ist:
σ(p) = polarer Anteil der Oberflächenenergie [mN/m] und E = E-Modul [GPa]
für E = 1,25-20 GPa
und/oder
die Oberflächenenergie der Oberfläche hinsichtlich ihrer Obergrenze durch folgende Funktion (3) bestimmt ist:
σ = Oberflächenenergie [mN/m] und E = E-Modul [GPa].Accordingly, a preferred plasma polymer solid according to the invention or a preferred plasma polymer layer in the context of the invention is one such or such, wherein the maximum polar fraction of the surface energy of the surface is determined by the following functions (2) or (2a):
σ (p) = polar fraction of surface energy [mN / m] and E = modulus of elasticity [GPa]
for E = 1.25-20 GPa
and or
the surface energy of the surface with respect to its upper limit is determined by the following function (3):
σ = surface energy [mN / m] and E = E modulus [GPa].
Die Oberflächenenergie und der polare Anteil der Oberflächenenergie wird gemäß dem Messbeispiel 4 bestimmt.The surface energy and the polar fraction of the surface energy are determined according to Measurement Example 4.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner ein plasmapolymerer Festkörper bzw. eine plasmapolymere Schicht, welche eine Dichte im Bereich von 0,8 und 1,6 g/cm3, bevorzugt zwischen 1,0 und 1,5 g/cm3 aufweist. Bestimmt wird die Dichte entsprechend Messbeispiel 5.Also preferred according to the invention is a plasma-polymer solid or a plasma-polymer layer which has a density in the range of 0.8 and 1.6 g / cm 3 , preferably between 1.0 and 1.5 g / cm 3 . The density is determined according to measurement example 5.
Erfindungsgemäß bevorzugt, insbesondere für den Einsatz als Easy-to-clean Schicht oder als Trennschicht ist eine plasmapolymere Schicht, wobei die Schicht eine Schichtdicke von 5 nm bis 20 µm, bevorzugt 200 nm bis 10 µm und besonders bevorzugt 400 nm bis 5 µm besitzt. Bei diesen Schichtdicken lassen sich besonders gut herstellungsbedingte Oberflächenrauigkeiten abdecken.According to the invention, in particular for use as an easy-to-clean layer or as a release layer is a plasma polymer layer, wherein the layer has a layer thickness of 5 nm to 20 .mu.m, preferably 200 nm to 10 .mu.m and more preferably 400 nm to 5 microns. With these layer thicknesses, production-related surface roughness can be covered particularly well.
Die Messung des E-Moduls der erfindungsgemäßen Schichten erfolgt im Zweifelsfall wie im Messbeispiel 2 beschrieben.The measurement of the modulus of elasticity of the layers according to the invention takes place in case of doubt as described in measuring example 2.
Entsprechend dem Vorgesagten ist erfindungsgemäß bevorzugt ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper, insbesondere eine plasmapolymere Schicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Stoffmengenverhältnis H:C 2,0 - 3,0 bevorzugt 2,0 - 2,8, weiter bevorzugt 2,2 - 2,7 beträgt, gemessen mittels Mikroelementaranalyse.According to the above, a plasma polymer solid according to the invention, in particular a plasma polymer layer according to one of the preceding claims, is preferred according to the invention, wherein the molar ratio H: C 2.0-3.0 is preferably 2.0-2.8, more preferably 2.2-2 , 7, measured by microelemental analysis.
Die Mikroelementaranalyse wird im Zweifelsfall durchgeführt, wie im Messbeispiel 3 beschrieben. Das bevorzugte H:C Verhältnis für die erfindungsgemäßen Festkörper bzw. Schichten ermöglichen ein im Sinne der Erfindung bevorzugtes Si-C Netzwerk, da Valenzen, die nicht von Wasserstoff abgesättigt sind, für andere (netzwerkbildende) Bindungen zur Verfügung stehen.The microelement analysis is performed in case of doubt, as described in Example 3. The preferred H: C ratio for the solid bodies or layers according to the invention makes possible a Si-C network which is preferred in the context of the invention, since valencies which are not saturated by hydrogen are available for other (network-forming) bonds.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper, insbesondere eine plasmapolymere Schicht, wobei die Stoffmengenverhältnisse auf der Oberfläche der Schicht gemessen mittel XPS
Neben dem C/O-Verhältnis haben sich auch die beschriebenen weiteren Stoffmengenverhältnisse als besonders geeignet erwiesen. Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper, insbesondere eine erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht, wobei für die Stoffmengenanteile auf der Oberfläche der Schicht gemessen mittels XPS gilt:
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper, insbesondere eine erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht, wobei im FTIR-Spektrum bei ca. 2165 cm-1 die Si-H-Bande erkennbar ist. Diese Bande ist ein Hinweis auf eine gute Vernetzung mittels zusätzlicher Kohlenwasserstoffbrücken.Preferred according to the invention is a plasma polymer solid according to the invention, in particular a plasma polymer layer according to the invention, wherein the Si H band can be recognized in the FTIR spectrum at about 2165 cm -1. This band is an indication of good crosslinking by means of additional hydrocarbon bridges.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper, insbesondere eine erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht, wobei der Silizium-Gesamtvernetzungsgrad zwischen 50 und 85%, bevorzugt zwischen 55 und 80% liegt und zugleich der Silizium-Vernetzungsgrad über Kohlenwasserstoffverbrückungen zwischen 5 und 50%, bevorzugt zwischen 5 und 30% liegt, bezogen auf die Gesamtzahl der enthaltenen Siliziumatome.Preferred according to the invention is a plasma polymer solid according to the invention, in particular a plasma polymer layer according to the invention, wherein the total silicon cross-linking degree is between 50 and 85%, preferably between 55 and 80%, and at the same time the silicon cross-linking via hydrocarbon bonds is between 5 and 50%, preferably between 5 and 30%, based on the total number of silicon atoms contained.
Der Silizium-Gesamtvernetzungsgrad bzw. der Silizium-Vernetzungsgrad über Kohlenstoffüberbrückungen wird im Zweifelsfall bestimmt wie in Messbeispiel 6 beschrieben. The overall degree of silicon crosslinking or the degree of silicon crosslinking via carbon bridges is determined in case of doubt as described in Example 6.
Diese Vernetzungsgrade ermöglichen in besonderer Weise die positiven Schichteigenschaften der erfindungsgemäßen plasmapolymeren Festkörper bzw. plasmapolymeren Schichten.These degrees of crosslinking make it possible in a special way to achieve the positive layer properties of the plasma-polymer solids or plasma-polymer layers according to the invention.
Erfindungsgemäß ist ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper, insbesondere eine erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht, wobei die Dichte gemessen mittels des SAW-Verfahrens zwischen 0,8 und 1,6 g/cm3, bevorzugt zwischen 1,0 und 1,5 g/cm3 beträgt.According to the invention, a plasma polymer solid according to the invention, in particular a plasma polymer layer according to the invention, wherein the density measured by the SAW method is between 0.8 and 1.6 g / cm 3 , preferably between 1.0 and 1.5 g / cm 3 .
Die Bestimmung der Dichte erfolgt wie im Messbeispiel 5 beschrieben.The density is determined as described in Example 5.
Diese Dichtenverhältnisse sind für erfindungsgemäße Festkörper bzw. erfindungsgemäße Schichten erst - in Kombination mit deren anderen Eigenschaften - durch eine Steuerung der Kohlenwasserstoffverbrückungen möglich.These density ratios are only possible for solids or layers according to the invention - in combination with their other properties - by controlling the hydrocarbon bridging.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung wird der Fachmann bevorzugt einige oder alle Verfahrensführungshinweise in der
- - die Gesamtleckrate ≤ 0,1 mbar l/s, bevorzugt ≤ 0,075 mbar l/s ist;
- - das Verhältnis von Gesamtleckrate zum zugeführten O2-Fluss ≤ 0,12, bevorzugt ≤ 0,09, weiter bevorzugt ≤ 0,07 ist;
- - ein so hoher Gesamtgasfluss realisiert wird, so dass die rechnerische Gesamtaufenthaltsdauer im Plasma ≥ 10 s und ≤ 30 s (bevorzugt ≤ 20 s) beträgt;
- - ein Arbeitsdruck (mit Plasmaentladung) von ≤ 0,03 mbar, bevorzugt ≤ 0,02 mbar und ≥ 0,01 mbar verwendet wird;
- - das Flussverhältnis von siliziumorganischem Precursor zu Sauerstoff ≥ 1, bevorzugt ≥ 1,25 ist;
- - der ausgewählte siliziumorganische Precursor über ein CH3/Si Verhältnis von ≥ 2,7, bevorzugt ≥ 3 verfügt und gleichzeitig dessen O/Si Verhältnis bezogen auf die Gesamtgasmenge ≤ 1,5, bevorzugt ≤ 1,1 beträgt;
- - der ausgewählte siliziumorganische Precursor möglichst nicht über Silazanverbindungen verfügt;
- - die Elektroden so ausgebildet sind, dass keine freiliegenden Elektrodenkanten vorhanden sind, so dass die Plasmaentladung im gesamten Raum visuell gleichmäßig und gleich stark erkennbar ist;
- - Lokale, intensivere Entladungen vermieden werden und/oder
- - insbesondere lokale Entladungen im Absaugflansch vermieden werden.
- - die Anlage großvolumig ausgelegt ist so, dass
- a.) die auf der Elektrode angeordnete Probe mind. 15 cm,
bevorzugt 20bis 25 cm Abstand von der nächsten Wand haben kann
- b.) der lichte Abstand der Kammerwände mind. 50 cm beträgt;
- a.) die auf der Elektrode angeordnete Probe mind. 15 cm,
- - großflächige, ebene Elektroden eingesetzt werden (mit kapazitiver Einkopplung). Deren frei zugängliche Fläche gegenüber dem Plasma entspricht bevorzugt näherungsweise der freien Fläche der elektrischen Masse, so dass sich im Betrieb ein Self-Bias nahe Null ergibt. In diesem Zusammenhang spricht man von einer geometrisch symmetrischen Entladung.
- - the total leakage rate ≤ 0.1 mbar l / s, preferably ≤ 0.075 mbar l / s;
- the ratio of total leakage rate to the supplied O 2 flow is ≦ 0.12, preferably ≦ 0.09, more preferably ≦ 0.07;
- - such a high total gas flow is realized, so that the calculated total residence time in plasma is ≥ 10 s and ≤ 30 s (preferably ≤ 20 s);
- - A working pressure (with plasma discharge) of ≤ 0.03 mbar, preferably ≤ 0.02 mbar and ≥ 0.01 mbar is used;
- the flow ratio of organosilicon precursor to oxygen is ≥ 1, preferably ≥ 1.25;
- - The selected organosilicon precursor has a CH 3 / Si ratio of ≥ 2.7, preferably ≥ 3 and at the same time its O / Si ratio based on the total amount of gas ≤ 1.5, preferably ≤ 1.1;
- - If possible, the selected organosilicon precursor does not have silazane compounds;
- - The electrodes are formed so that no exposed electrode edges are present, so that the plasma discharge in the entire space is visually uniform and equally strong;
- - Local, more intense discharges are avoided and / or
- - In particular, local discharges are avoided in Absaugflansch.
- - The plant is designed large volume so that
- a.) The arranged on the electrode sample may have at least 15 cm, preferably 20 to 25 cm distance from the next wall
- b.) the clear distance of the chamber walls is at least 50 cm;
- - large, flat electrodes are used (with capacitive coupling). Their freely accessible area relative to the plasma preferably corresponds approximately to the free area of the electrical ground, so that a self-bias close to zero results during operation. In this context one speaks of a geometrically symmetrical discharge.
Zur Kontrolle des bevorzugt geforderten Anlagen- und Elektrodenaufbaus kann zunächst die Bestimmung des Self-Bias herangezogen werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vorzugsweise der Self-Bias nicht durch weitere Maßnahmen (zusätzliches Anlagen von Gleich- oder Wechselspannungen) verändert wird. Da üblicherweise kommerzielle Matchboxen nur den Betrag des Self-Bias anzeigen, ist durch Kontrollmessungen bevorzugt sicher zu stellen, dass keine Self-Bias Spannung ≥ + 10 V während der Plasmaentladung entsteht. Bevorzugt ist ein Self-Bias im Bereich von -25 bis +10 V, besonders bevorzugt im Bereich von -10 bis 0 Volt.In order to control the preferably required plant and electrode structure, the determination of the self-bias can first be used. It should be noted that preferably the self-bias is not changed by other measures (additional investments of DC or AC voltages). Since commercial matchboxes usually only display the amount of self-bias, it is preferable to ensure by control measurements that no self-bias voltage ≥ + 10 V is generated during the plasma discharge. Preferably, a self-bias is in the range of -25 to +10 volts, more preferably in the range of -10 to 0 volts.
Im Zweifel kann die Bestimmung des Bias entweder durch Messung mittels eines Hochspannungstastkopfes und Oszilloskop direkt an der Elektrode durchgeführt werden, wobei hierbei die Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit HF-Sendern einzuhalten sind, oder durch Messung mittels eines Multimeters innerhalb des Bereichs der Regelungselektronik der entsprechenden Matchbox, sofern die Anschlüsse der DC-Messeinheit zugänglich sind. Das an der DC-Messeinheit abgegriffene Signal ist im Allgemeinen Vorzeichenrichtig aber entspricht betragsmäßig nicht dem wahren Self-Biaswert. In case of doubt, the determination of the bias can be carried out either directly by measurement by means of a high-voltage probe and oscilloscope directly at the electrode, whereby the safety measures are to be observed when handling RF transmitters, or by measurement by means of a multimeter within the range of the control electronics of the corresponding matchbox, provided the connections of the DC measuring unit are accessible. The signal picked up at the DC measuring unit is generally correct in sign but does not correspond in magnitude to the true self-bias value.
Ist der Self-Bias sehr gering, so ist das Plasmapotential für die Schichtbildung in einem kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzplasma von entscheidender Bedeutung. Durch die Leitfähigkeit des Plasmas und dessen Kontakt mit den Elektroden ergibt sich ein Spannungsabfall an den Elektrodenflächen (sowohl an der Erdungselektrode, als auch an der HF-Elektrode). Im Englischen wird von der Sheath Formation (Dunkelraum oder Randschicht) gesprochen, vgl. z.B. http://www.chm.bris.ac.uk/~paulmay/misc/msc/msc4.htm. Im Falle eines Self-Bias nahe bei Null ist im zeitlichen Mittel das Plasmapotential nicht nur positiv, sondern auch dasjenige elektrische Feld, welches die positiven Ionen auf die Elektrode bzw. auf die auf ihr angeordnete Probe beschleunigt. Der Dunkelraum ist örtlich sehr klein. Demzufolge können einerseits die positiven Ionen zur Schichtbildung beitragen und werden dennoch nur mit geringer Energie auf die Oberfläche geschossen. Die Energieverteilung der Ionen wird kleiner gehalten, als mit Self-Bias. Die sich bildende Beschichtung wird auf die diese Weise geringstmöglich durch den lonenbeschuss gestört. Die absolute Größe des Plasmapotentials ist von verschiedenen Größen abhängig, wie z.B. dem Druck, der Gasmischung, dem Gesamtgasfluss und der Leistung.If the self-bias is very low, the plasma potential for layer formation in a capacitively coupled high-frequency plasma is of crucial importance. The conductivity of the plasma and its contact with the electrodes results in a voltage drop across the electrode surfaces (both at the ground electrode and at the RF electrode). In English, we speak of the sheath formation (dark space or boundary layer), cf. e.g. http://www.chm.bris.ac.uk/~paulmay/misc/msc/msc4.htm. In the case of a self-bias close to zero, the plasma potential is not only positive over time but also that electric field which accelerates the positive ions to the electrode or to the sample arranged on it. The dark room is very small locally. As a result, on the one hand, the positive ions can contribute to the formation of layers and are nevertheless only shot with low energy onto the surface. The energy distribution of the ions is kept smaller than with self-bias. The forming coating is disturbed as little as possible by the ion bombardment in this way. The absolute size of the plasma potential is dependent on various quantities, e.g. the pressure, the gas mixture, the total gas flow and the power.
Die geometrische Symmetrie der Entladung kann im Zweifel über eine Messung des Plasmapotentials (bei dem Plasmapotential handelt es sich um eine Spannung zwischen dem Plasma und der Oberfläche. Sie kann z.B. mit einer Langmuirsonde ermittelt werden, vgl. z. B. RSC Adv., 2013, 3, 13540-13557.) sichergestellt werden. Folgt das Plasmapotential einem reinen Sinussignal, liegt eine geometrisch symmetrische Entladung vor. Abweichung vom Sinus weisen auf eine asymmetrische Entladung hin. Die Randschichten vor der HF-Elektrode und der Masseelektrode verhalten sich zeitlich unterschiedlich.In case of doubt, the geometric symmetry of the discharge can be measured by measuring the plasma potential (the plasma potential is a voltage between the plasma and the surface, for example, it can be determined with a Langmuir probe, see, for example, RSC Adv., 2013 , 3, 13540-13557.). If the plasma potential follows a pure sinusoidal signal, there is a geometrically symmetrical discharge. Deviation from the sinus indicates asymmetric discharge. The surface layers in front of the HF electrode and the ground electrode behave differently in time.
Welche der genannten Hinweise der Fachmann befolgt, hängt unter anderem von der tatsächlich eingesetzten Plasmaanlage ab. Dabei ist es bevorzugt, wenigstens drei, weiter bevorzugt wenigstens fünf, und insbesondere bevorzugt alle dieser Maßnahmen zu ergreifen, um zu einem erfindungsgemäßen plasmapolymeren Festkörper bzw. einer erfindungsgemäßen plasmapolymeren Schicht zu gelangen. Bevorzugt ist das Verfahren so zu führen, dass ein Null-Bias gewährleistet ist.Which of the cited instructions the expert follows depends inter alia on the actual plasma system used. It is preferred to take at least three, more preferably at least five, and particularly preferably all of these measures in order to arrive at a plasma polymer solid according to the invention or a plasma polymer layer according to the invention. Preferably, the method is to be performed so that a zero bias is ensured.
Bevorzugt wird eine homogenisierte Gasabsaugung, z. B. wie beschrieben in der Dissertation „Konstruktion und Evaluierung von Gaszuführungsystem, Elektroden und Gasabsaugungssystemen für Niederdruckplasmakammern“, Gustavo Simiema de Freitas Barbosa, Universität Bremen), sowie eine vergleichmäßigte Precursorgaszuführung. Dieser Aspekt gewinnt an Bedeutung, je größer die Anlage gebaut ist.Preference is given to a homogenized gas extraction, z. As described in the thesis "Design and Evaluation of gas supply system, electrodes and Gasabsaugungssystemen for low-pressure plasma chambers", Gustavo Simiema de Freitas Barbosa, University of Bremen), and a uniform Precursorgaszuführung. This aspect becomes more important the larger the plant is built.
Bevorzugt werden zusätzlich folgende operative Maßnahmen für die Plasmavorrichtung eingesetzt:
- - ein Doppel U-Aufbau (Elektrode gegen Masse);
- - Elektroden eingelassen in eine geeignete Isolation gegen die Kammerwand von mind. 50mm. Bevorzugt wird Polyethylen (PE) verwendet. Polytetrafluourethylen (PTFE) und ähnliche fluorhaltige Isolationsmaterialien sind zu bevorzugt vermeiden, zumindest für die gegenüber dem Plasma frei liegenden Flächen und/oder
- - eine rechteckige Vakuumkammer
- a double U structure (electrode to ground);
- - Electrodes embedded in a suitable insulation against the chamber wall of min. 50mm. Preferably, polyethylene (PE) is used. Polytetrafluoroethylene (PTFE) and similar fluorine-containing insulating materials are preferred to avoid, at least for the areas exposed to the plasma and / or
- - a rectangular vacuum chamber
Der Fachmann wird die Entladungsleistung der Größe, der Elektrodenfläche und dem Gesamtgasfluss der Arbeitsgase anpassen.The skilled person will adjust the discharge power of the size, the electrode area and the total gas flow of the working gases.
Die Gesamtleckrate wird im Zweifelsfall nach der Druckanstiegsmethode bestimmt über einen Zeitraum von mind. 1 Stunde.In case of doubt, the total leak rate is determined according to the pressure rise method over a period of at least 1 hour.
Teil der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Schicht zur Verbesserung der Reinigungsfähigkeit eines unbeschichteten Festkörpers (Easy-to-clean Anwendungen). Die Reinigung kann mit Lösemitteln, wässrigen Reinigern und/oder Trockeneis, mit Sodastrahlen erfolgen, denn aufgrund der günstigen Oberflächeneigenschaften (vgl. oben) ist es möglich, mit den erfindungsgemäßen Schichten auch das Reinigungsverhalten von Oberflächen positiv zu beeinflussen. Bevorzugtes Reinigungsmittel ist Wasser und/oder Sodastrahlen. Weiterhin ist es möglich typische Reiniger einzusetzen, wie sie im Bereich der Lebensimittelverarbeitung Verwendung finden. Diese zeichnen sich z.B. durch ihre Basiszität, ihre Säure oder auch durch die Verwendung von Ozon oder Chlor aus.Part of the invention is also the use of a layer according to the invention for improving the cleanability of an uncoated solid (easy-to-clean applications). The cleaning can be carried out with solvents, aqueous cleaners and / or dry ice, with soda rays, because due to the favorable surface properties (see above) it is possible to positively influence the cleaning behavior of surfaces with the layers according to the invention. Preferred cleaning agent is water and / or Sodastrahlen. Furthermore, it is possible to use typical cleaners, as in the field of Find food processing use. These are distinguished, for example, by their basicity, their acidity or else by the use of ozone or chlorine.
Teil der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Schicht bzw. eines erfindungsgemäßen Festkörpers als Trennschicht.Part of the invention is also the use of a layer according to the invention or a solid according to the invention as a release layer.
Die erfindungsgemäßen Schichten sind mechanisch besonders widerstandsfähig und können daher bevorzugt für Gieß- bzw. Spritzgießprozesse oder andere besonders abrasive kunststoffverarbeitende Verfahren eingesetzt werden, z.B. in Rohren oder auf Fördervorrichtung wie z.B. Schnecken. Grundsätzlich sind die erfindungsgemäßen Schichten als Trennschichten auch für weitere Verfahren geeignet, bei denen eine Trennung von Schichten/Festkörpern erforderlich ist.The layers according to the invention are mechanically particularly resistant and can therefore preferably be used for casting or injection molding processes or other particularly abrasive plastics processing methods, e.g. in pipes or on conveyor such as e.g. Snails. In principle, the layers according to the invention are also suitable as release layers for other processes in which a separation of layers / solids is required.
Teil der Erfindung ist auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung. Insbesondere umfasst dieses Verfahren die Schritte
- a) Bereitstellen eines Substrates,
- b) Abscheiden eines plasmapolymeren Festkörpers, insbesondere einer plasmapolymeren Schicht auf dem Substrat, wobei ein erfindungsgemäßer plasmapolymerer Festkörper und/oder eine erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht entsteht.
- a) providing a substrate,
- b) depositing a plasma polymer solid, in particular a plasma polymer layer on the substrate, wherein a plasma polymer solid according to the invention and / or a plasma polymer layer according to the invention is formed.
Des Weiteren wird der Fachmann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein, mehrere oder bevorzugt alle der oben beschriebenen Hinweise/Schritte/Verfahrensausgestaltungen/Plasmaabscheidungsvorrichtungsausgestaltunge n berücksichtigen.Furthermore, in the method according to the invention, the person skilled in the art will take into account one, several or preferably all of the above-described instructions / steps / method configurations / plasma deposition apparatus designs.
Von besonderer Bedeutung ist die Precursorauswahl, die Precursorgasmenge, die Einhaltung der Abstände und/oder die Verwendung eines Aufbaues, welcher die Anforderung des Self-Bias nahe bei Null realisiert. Dabei wird der Fachmann natürlich die Fläche mitberücksichtigen, die durch das zu beschichtende Bauteil, die zu beschichtenden Bauteile zusätzlich als Elektrodenfläche entsteht. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, dass es sehr vorteilhaft ist den Konstruktionshinweisen von Gustavo Simiema de Freitas Barbosa zu folgen.Of particular importance is the selection of precursors, the amount of precursor gas, the maintenance of the distances and / or the use of a structure which implements the requirement of self-bias close to zero. Of course, the person skilled in the art will of course also take into account the area which additionally arises as the electrode surface through the component to be coated, the components to be coated. It is expressly pointed out that it is very advantageous to follow the construction instructions of Gustavo Simiema de Freitas Barbosa.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die hier vorgestellte Erfindung die Möglichkeit besteht, plasmapolymere Festkörper, insbesondere plasmapolymere Schichten herzustellen, die bei einem im Vergleich zu der in der
Dementsprechend ist Teil der Erfindung ein Festkörper, umfassend ein Substrat und auf dieses Substrat aufgebracht eine erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht. Allgemein, aber auch insbesondere in diesem Zusammenhang ist es Teil der Erfindung, dass die erfindungsgemäße plasmapolymere Schicht auch als Korrosionsschutzschicht verwendet wird, insbesondere in Anwendung die eine hohe Basen- und Laugenbeständigkeit erfordern. Sie kann auch in Kombination mit Schichten eingesetzt werden, welche über besonders gute Sperrschichteigenschaften verfügen.Accordingly, part of the invention is a solid comprising a substrate and applied to this substrate a plasma polymer layer according to the invention. In general, but also in particular in this context, it is part of the invention that the plasma polymer layer according to the invention is also used as a corrosion protection layer, especially in application requiring a high base and alkali resistance. It can also be used in combination with layers that have particularly good barrier properties.
Letztendlich ist Teil der Erfindung die Verwendung derartiger Beschichtungen mit einem E-Modul von ca. 5 bis 20 GPa, bevorzugt mit E-Moduli im Bereich von 8 - 16 GPa als Kratz- und Abrasionsschutzschichten, insbesondere für Kunststoffe und weiche Metalle.Finally, part of the invention is the use of such coatings having an E-modulus of about 5 to 20 GPa, preferably with moduli of elasticity in the range of 8-16 GPa as scratch and abrasion protective layers, in particular for plastics and soft metals.
Somit bedient die Beschichtung Produktansprüche hinsichtlich niederenergetischer, chemisch inerter und mechanisch stabiler Oberflächeneigenschaften.Thus, the coating serves product requirements with regard to low-energy, chemically inert and mechanically stable surface properties.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by way of examples.
BeispieleExamples
Ausführungsbeispiel 1: Herstellung erfindungsgemäßer Schichten (mit nicht erfindungsgemäßen Gegenbeispiel)
Die in diesem Beispiel verwendeten plasmapolymeren Beschichtungen unterscheiden sich bezüglich ihrer Herstellung lediglich in der in den Plasmaprozess eingekoppelten Leistung. Dementsprechend wurden sie mittels eines konstanten Gasgemisches aus Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und Sauerstoff hergestellt. Es wurde für HMDSO ein Gasfluss von 92 sccm und für Sauerstoff von 53 sccm verwendet. Die äußeren Plasmaparameter Druck (0,016 mbar), Gasmischungsverhältnis und Gesamtgasdurchfluss werden bei allen Beschichtungen konstant gehalten. Es wurden fünf verschiedene Leistungen von 1000W bis 3400W, im 600W Abstand, eingestellt. Für alle Prozesse war der Self-Bias < -10V.The plasma polymer coatings used in this example differ in their production only in the power coupled into the plasma process. Accordingly, they were prepared by means of a constant gas mixture of hexamethyldisiloxane (HMDSO) and oxygen. For HMDSO a gas flow of 92 sccm and for oxygen of 53 sccm was used. The external plasma parameters pressure (0.016 mbar), gas mixture ratio and total gas flow are kept constant for all coatings. There were five different powers from 1000W to 3400W, in the 600W distance, set. For all processes the self-bias was <-10V.
Der für die Herstellung der Schichten verwendete Plasmareaktor ist ein großvolumiger Reaktor von ca. 1,2m3, welcher mit einer kapazitativen Radiofrequenzanregung (13,56 MHz) betrieben wird. Es handelt sich hierbei um einen Eigenbau des Fraunhofer - IFAM, Bremen. Das Besondere an der verwendeten Anlage ist, dass für viele Hexamethyldisiloxan (HMDSO) basierte Prozesse zuverlässig ein Self-Bias nahe bei null erreichbar ist und im gesamten freien Reaktorraum ein sehr homogenes Plasma gebildet wird. Der niedrige Self-Bias wird durch die Geometrie der Plasmaanlage bestimmt, wobei Flächen der Elektroden und der geerdeten Oberflächen in etwa gleich groß sind. In
Die Figur stellt ein Schema der verwendeten Plasmaanlage dar (die Elektrode bildet ein U, die übrige, nicht mit der Elektrode versehene Wand stellt für das Plasma die elektrische Masse dar, welche entsprechend ebenfalls U-förmig ist).The figure shows a scheme of the plasma system used (the electrode forms a U, the remaining, not provided with the electrode wall represents for the plasma, the electrical mass, which is also correspondingly U-shaped).
In der
- 1
- Geerdete Reaktorkammer
- 3
- Druckregelventil
- 5
- Absaugung zum Pumpenstand
- 67
- Baffleplate
- 9
- HF-Elektrode
- 11
- Isolierung (
PE ) - 13
- Gaszuführung
- 15
- HF-Einspeisung
- 17
- Match box
- 19
- HF-Generator
- 1
- Grounded reactor chamber
- 3
- Pressure control valve
- 5
- Extraction to the pump stand
- 67
- Baffleplate
- 9
- RF electrode
- 11
- Insulation (
PE ) - 13
- gas supply
- 15
- HF feed
- 17
- Match box
- 19
- RF generator
Zur Regelung des Prozessdrucks dient die Absaugung mit einem regelbaren Butterflyventil. Während des Prozesses wird kontinuierlich Gas über die Gaszuführungen (
Der Self-Bias ist ein Gleichspannungswert, welcher zwischen der HF-Einspeisung (
Die Gesamtleckrate wurde zu 0,065 mbar l/s bestimmt. Dabei wurde die Druckanstiegsmethode über 1 Std. verwendet. Als Basisdruck wurde 8*10-03 mbar gewählt.The total leak rate was determined to be 0.065 mbar l / s. The pressure rise method was used over 1 h. The base pressure chosen was 8 * 10 -03 mbar.
Um möglichst gleiche Ausgangsbedingungen in der Plasmaanlage vorweisen zu können, wurde vor der Herstellung der Schichten eine Konditionierung der Plasmaanlage durchgeführt. Hierbei handelt es sich um den Prozess mit 2200W Leistung unter den oben angegebenen Bedingungen über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde. Diese Konditionierung sorgt dafür, dass alle Oberflächen innerhalb der Plasmaanlage bereits mit einer plasmapolymeren Trennschicht versehen sind und es zu keiner unkontrollierten Kontamination der Proben durch vorhergehende Prozesse kommt.In order to be able to demonstrate the same initial conditions in the plasma system as possible, a conditioning of the plasma system was carried out before the production of the layers. This is the process with 2200W power under the above conditions over a period of at least one hour. This conditioning ensures that all surfaces within the plasma system are already provided with a plasma polymer separation layer and that no uncontrolled contamination of the samples by preceding processes occurs.
Alle hergestellten Proben lagen auf der Grundelektrode auf. Um eine ausreichende Haftung der plasmapolymeren Schicht für die folgenden analytischen Untersuchungen auf den Testsubstraten zu erhalten, wurde eine 10-minütige Sauerstoffaktivierung (400 sccm Sauerstoff, 1500 W, 0,02 mbar der Substrate vorgenommen. Bei den Substraten handelt es sich je nach Messmethode um Siliziumwafer, Aluminiumplatten oder Glasobjektträger.All samples prepared lay on the base electrode. In order to obtain sufficient adhesion of the plasma polymer layer for the following analytical tests on the test substrates, a 10-minute oxygen activation (400 sccm oxygen, 1500 W, 0.02 mbar of the substrates was carried out Silicon wafers, aluminum plates or glass slides.
Lediglich bei den für die Mikroelementaranalyse hergestellten Proben wurde vollständig auf eine Aktivierung verzichtet, da die plasmapolymere Schicht zur Analyse substratfrei in Pulverform vorliegen muss. Ohne eine vorherige Aktivierung wird das Ablösen der Beschichtung von den verwendeten Glasobjektträgern deutlich erleichtert.Only in the case of the samples prepared for the microelement analysis, activation was completely dispensed with since the plasma polymer layer must be present in powder form for the analysis without substrate. Without prior activation, the peeling of the coating from the glass slides used is greatly facilitated.
Nicht erfindungsgemäßes Beispiel (Referenz):
- Als nicht erfindungsgemäße Referenzschicht wurde eine Beschichtung auf der gleichen Anlage hergestellt, für welche ein HMDSO-Gasfluss von 75 sccm und Sauerstoffgasfluss von 300 sccm bei einer Leistung von 2000 W und einem Arbeitsdruck von 0,026 mbar, verwendet wurde.
- As a reference layer not according to the invention, a coating was produced on the same plant for which an HMDSO gas flow of 75 sccm and oxygen gas flow of 300 sccm at a power of 2000 W and a working pressure of 0.026 mbar was used.
Messbeispiel 2: Nanoindentation der Schichten aus Beispiel 1Measuring Example 2: Nanoindentation of the Layers from Example 1
Zur Bestimmung des E-Moduls der Schichten aus Beispiel 1 wurde das Verfahren der Nanoindentation verwendet. Bei der Nanoindentierung handelt es sich um registrierende Eindringversuche in das Probenmaterial. Hierbei wird eine Spitze in Form einer Berkovichpyramide mit der Kraft F, in
Aus dieser Messkurve lassen sich das Elastizitätsmodul und die Härte bestimmen. Wichtig bei der Bestimmung dieser Materialkonstanten von dünnen Schichten ist, eine maximale Eindringtiefe von etwa 10% der Schichtdicke nicht zu überschreiten, da sonst die Substrateigenschaften das Messergebnis verfälschen (vgl.
Die Auswertung dieser Kraft-Eindring-Kurve erfolgt wie allgemein üblich nach der Methode von Oliver und Pharr, siehe oben. Laut dieser Theorie gilt für das effektive Elastizitätsmodul Eeff die Gleichung 1.
Hierbei ist β ein Geometriefaktor der für eine Berkovichpyramide eins beträgt. Weiterhin ist S die Kontaktsteifigkeit welche über die Ableitung der maximalen Kraft bei maximaler Eindringtiefe ermittelt wird, siehe
Hierbei sind die mit i indizierten Größen auf den Indenter bezogen und somit Konstanten. Die Querkontraktionszahl v kann nicht gemessen werden, sondern wird in allen Messungen mit einem Wert von v = 0,17 angenommen (vgl. Oliver und Pharr, siehe oben, sowie A. Clausner, „Bewertung von Verfahren zur Fließspannungsbestimmung in der Nanoindentation,“ 2013).In this case, the variables indicated by i are based on the indenter and thus constants. The transverse contraction number v can not be measured, but is assumed to be v = 0.17 in all measurements (see Oliver and Pharr, supra, and A. Clausner, "Evaluation of the Determination of the Flow Stress in Nanoindentation," 2013 ).
Da das Elastizitätsmodul der zu untersuchenden, plasmapolymeren Beschichtungen in einem erwarteten Wertebereich von ca. 1 bis 20 GPa liegt, ist es nötig Proben mit einer Mindestschichtdicke von 2µm herzustellen. Für an sich dünnere Schichten wird eine Probe gleicher Zusammensetzung mit Mindestschichtdicke erstellt.Since the modulus of elasticity of the plasma polymer coatings to be investigated is within an expected value range of approximately 1 to 20 GPa, it is necessary to use samples having a minimum layer thickness of 2 μm manufacture. For itself thinner layers, a sample of the same composition is created with minimum layer thickness.
Für die Nanoindentationsmessungen wurde ein Berkovich-Indentor verwendet. Bei dem Gerät handelt es sich um einen „Universal Material Tester“, UMT 1 der Firma Bruker. Der Sensor ist ein Nanohead 2.For nanoindentation measurements, a Berkovich indentor was used. The device is a "Universal Material Tester",
Die Messresultate für die Schichten aus Beispiel 1 sind in
Messbeispiel 3: Mikroelementar- und XPS-Analyse der Schichten aus Beispiel 1Measuring Example 3: Microelementar and XPS analysis of the layers from Example 1
Zur Charakterisierung der erfindungsgemäßen Beschichtungen ist es von hoher Bedeutung die elementare Zusammensetzung zu bestimmen. Da Wasserstoff mittels der XPS-Analyse prinzipiell nicht zugänglich ist wurde ergänzende die Mikroelementaranalyse herangezogen.To characterize the coatings according to the invention, it is of great importance to determine the elemental composition. Since hydrogen is in principle not accessible by means of XPS analysis, supplementary microelement analysis was used.
Bei der Mikroelementaranalyse handelt es sich um eine unter definierten Bedingungen stattfindende Verbrennung. Das Probenpulver wird zunächst getrocknet, um ggf. eingelagertes Wasser als Störquelle auszuschließen. Anschließend findet die Verbrennung der Probe unter reinem Sauerstoff statt. Die entstehenden Verbrennungsgase werden durch verschieden Reagenzien (z.B. Natronlauge) geleitet, welche jeweils eine messbare Reaktion auf die Anwesenheit spezifischer Gasmoleküle zeigen. Die Messgröße für die Bestimmung des Kohlenstoffgehalts ist die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit von Natronlauge durch absorbiertes Kohlendioxid. Hierzu wurde die Probe zuvor bei 1200°C im Sauerstoffstrom verbrannt. Zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts wurde die Probe bei 1050°C ebenfalls im Sauerstoffstrom verbrannt und das gebildete Verbrennungswasser mittels IR-Messung detektiert.The microelemental analysis is a combustion taking place under defined conditions. The sample powder is first dried to exclude any stored water as a source of interference. Subsequently, the combustion of the sample takes place under pure oxygen. The resulting combustion gases are passed through various reagents (e.g., caustic soda), each of which exhibits a measurable response to the presence of specific gas molecules. The measured quantity for determining the carbon content is the change in the electrical conductivity of caustic soda due to absorbed carbon dioxide. For this purpose, the sample was previously burned at 1200 ° C in an oxygen stream. To determine the hydrogen content, the sample was also burned at 1050 ° C in an oxygen stream and the combustion water formed detected by IR measurement.
Die erhaltenen Werte werden mit dem mittels XPS ermittelten Kohlenstoffgehalt ins Verhältnis gesetzt. Hierdurch kann der Wasserstoffgehalt Hz der Beschichtung mit der Zusammensetzung SiOxCyHz ermittelt werden.The values obtained are compared with the carbon content determined by means of XPS. In this way, the hydrogen content H z of the coating with the composition SiO x C y H z can be determined.
Wie schon erwähnt wurden die Beschichtungen von Glasobjektträgern abgeschabt, um Probenpulver in ausreichender Menge herzustellen. Dazu wurden eine Vielzahl von Glasobjektträgern fast auf der gesamten Grundelektrode des Reaktors verteilt. Es wurde eine Schichtdicke von etwa 2 µm auf den Glasobjektträgern abgeschieden.As already mentioned, the coatings were scraped off glass slides to produce enough sample powder. For this purpose, a plurality of glass slides were distributed almost on the entire base electrode of the reactor. A layer thickness of about 2 μm was deposited on the glass slides.
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie, kurz XPS, beruht auf dem äußeren Photoeffekt. Der Prozess kann als ein Dreischrittprozess angenähert werden. Als erstes überträgt ein Photon mit einer Wellenlänge im Röntgenbereich seine Energie auf ein Rumpfelektron der Probe woraufhin dieses sein bisheriges Orbital verlässt. Anschließend wandert es durch die Probe zur Oberfläche. Abschließend tritt das Elektron aus der Probe aus und kann detektiert werden. Die Photoelektronen werden energieselektiv detektiert. Die Auswertung der Spektren erfolgt grundlegend nach Gleichung 3. Dabei ist hv die Energie der Photonen und somit die Energie der verwendeten charakteristischen Röntgenlinie.
Die kinetische Energie der Elektronen Ekin wird im Photoelektronenspektrometer gemessen. Die Austrittsarbeit des Spektrometers φSp ist nahezu konstant und vom Gerät abhängig. Somit kann aus dem Spektrum direkt auf die Bindungsenergie, bezogen auf das Ferminiveau, EB F geschlossen werden (vgl. H. K. S. Brümmer, Festkörperanalyse mit Eletronen, Ionen und Röntgenstrahlen, Berlin, 1980).The kinetic energy of the electrons E kin is measured in the photoelectron spectrometer. The work function of the spectrometer φ Sp is almost constant and depends on the device. Thus, from the spectrum directly on the binding energy, based on the Fermi level, E B F are closed (see HKS Brümmer, solid state analysis with eletrons, ions and X-rays, Berlin, 1980).
Die Bindungsenergie ist orbital- und elementabhängig. Bei unterschiedlicher chemischer Bindungsumgebung kommt es zu einer Verschiebung der Bindungsenergie, der chemischen Verschiebung, dem „chemical shift“. Das vorhanden sein von Nachbaratomen hat Einfluss auf die Bindungsenergie der Rumpfelektronenen eines Atoms. Dies bedeutet konkret, dass zum Beispiel Sauerstoffatome, welche an ein Siliziumatom gebunden sind zu einer Verschiebung der Bindungsenergie des Si-Atoms führen, der Oxidationszustand des Siliziums hat sich geändert. Somit lassen sich nicht nur Aussagen über die Elemente der Probe, sondern auch über deren Bindungen machen. Die Stärke der Verschiebung hängt von den unterschiedlichen Elektronegativitäten der Bindungspartner, sowie deren Anzahl ab (vgl.
Für alle Messungen wurde ein KRATOS AXIS Ultra der Fa. Kratos Analytical verwendet. Hierbei wurde eine monochromatisierte Al Kα -Quelle genutzt. Die Passenergien der verschiedenen Spektren sind in den jeweiligen Abschnitten angegeben.For all measurements a KRATOS AXIS Ultra from the company Kratos Analytical was used. Here, a monochromatized Al Kα source was used. The pass energies of the different spectra are given in the respective sections.
In Tabelle 1 sind die Elementgehalte der Beschichtungen aus Beispiel 1 angegeben. Bei den angegebenen Werten und Fehlern handelt es sich um den Mittelwert der drei Messpositionen einer Probe und die dazugehörige Standardabweichung. Zusätzlich ist noch die Lage des Maximums des Si 2p Peaks angegeben. Sie ist für die Leistungsvariation nahezu konstant. Mit etwa 103 eV liegt sie zwischen sekundären und tertiären Bindungsverhältnissen. Erst die nicht erfindungsgemäße Referenz zeigt eine deutliche Abweichung.
Tabelle 1: Elementgehalt aus XPS-Messungen, Mittelwerte von drei Messpositionen einer Probe
Peaklage korrigiert auf 285eV für den aliphatischen KohlenwasserstoffPeak charge corrected to 285eV for the aliphatic hydrocarbon
Aus den Werten lassen sich verschiedene Elementverhältnisse ableiten. Normiert auf Silizium sind sie in
Es zeigt sich, dass der Gehalt der Elemente in allen Proben nahezu konstant ist. Eine geringfügige Abnahme des Kohlenstoffgehalts ist mit steigender Leistung zu beobachten. Im Vergleich hierzu weist die Referenz ein drastisch erhöhtes Verhältnis O/Si auf. Das Verhältnis von C zu Si ist hingegen deutlich niedriger. Der Anteil an ternären und vor allem an quartären Siliziumstrukturen ist in der Referenz deutlich höher als bei den untersuchten Schichten.It turns out that the content of the elements in all samples is almost constant. A slight decrease in carbon content is observed with increasing power. In comparison, the reference has a drastically increased O / Si ratio. The ratio of C to Si, however, is significantly lower. The proportion of ternary and especially of quaternary silicon structures is significantly higher in the reference than in the investigated layers.
Aus diesen Konzentrationsangaben kann eine vorläufige Stöchiometrie, zunächst ohne Beachtung des Wasserstoffgehalts ermittelt werden. Dazu wird im Folgenden auf Silizium normiert, da dieses das strukturbildende Element aller betrachteten Beschichtungen darstellt. Hieraus ergeben sich die Stöchiometrien in Tabelle 2.
Tabelle 2: Stöchiometrie aus XPS-Messungen, bezogen auf Silizium
Tabelle 2 macht deutlich, dass der Sauerstoff zu Silizium Anteil im Rahmen des Fehlers bei allen fünf Plasmaleistungen unverändert bleibt. Lediglich der Kohlenstoffgehalt nimmt mit zunehmender Leistung leicht ab. Im Vergleich hierzu weist die nicht erfindungsgemäße Referenz ein deutlich höheres O zu Si Verhältnis auf.Table 2 makes it clear that the oxygen to silicon content remains unchanged under the error for all five plasma outputs. Only the carbon content decreases slightly with increasing power. In comparison, the reference not according to the invention has a significantly higher O to Si ratio.
In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der Mikroelementaranalyse, sowie das daraus resultierende Verhältnis von Wasserstoff je Kohlenstoffatom zu sehen.
Tabelle 3: Ergebnisse der Mikroelementaranalyse, Mittelwerte aus Doppelbestimmung
Es wurde für jede plasmapolymere Beschichtung eine Doppelbestimmung (zwei Messungen mit unterschiedlichem Probenmaterial) durchgeführt. Die Messresultate zeigen genau wie die Ergebnisse aus den XPS-Untersuchungen eine leichte Abnahme des Kohlenstoffgehalts mit der Plasmaleistung.A duplicate determination (two measurements with different sample material) was performed for each plasma polymer coating. The results show, just like the results from the XPS studies, a slight decrease in the carbon content with the plasma power.
Da es sich bei der Mikroelementaranalyse um ein Verfahren handelt, bei dem Volumeneigenschaften bestimmt werden, können so die Ergebnisse der XPS Messungen verifiziert werden. Außerdem sprechen die Ergebnisse der Mikroelementaranalyse für einen sehr homogenen Beschichtungsprozess, da die Proben für die Analyse im gesamten Reaktor verteilt lagen. Des Weiteren kann aus den kombinierten Ergebnissen von XPS und Mikroelementaranalyse, wie in Tabelle 4 angegeben, die vollständige Stöchiometrie der Schichten bestimmt werden.
Tabelle 4: ermittelte Stöchiometrie der fünf plasmapolymeren Beschichtungen, bezogen auf Silizium, kombinierte Ergebnisse aus XPS (Si-, O-, C-Gehalt) und Mikroelementaranalyse (H-Gehalt)
Es lässt sich feststellen, dass die erfindungsgemäßen plasmapolymeren Beschichtungen hinsichtlich ihrer elementaren Zusammensetzung sehr ähnlich sind. Insbesondere das Verhältnis von Sauerstoff und Silizium ist für alle betrachteten Beschichtungen gleich. Das Si-O - Netzwerk wird durch die Leistungsänderung nicht verändert. Dieses Ergebnis ist unerwartet und überraschend im Hinblick auf die bisher bekannte Zunahme des Elastizitätsmoduls bei steigender Plasmaleistung. It can be stated that the plasma polymer coatings according to the invention are very similar in terms of their elemental composition. In particular, the ratio of oxygen and silicon is the same for all considered coatings. The Si-O network is not changed by the power change. This result is unexpected and surprising in view of the previously known increase in elastic modulus with increasing plasma power.
Insgesamt fällt auf, dass die Messwerte zur chemischen Zusammensetzung insgesamt sehr konsistent sind. Dies bedeutet, dass die Ergebnisse aus dem XPS und aus der Mikroelementaranalyse sehr gut zusammenpassen, obwohl es sich um gänzlich verschiedene Analyseverfahren handelt. Am auffälligsten ist dieser Umstand bei dem jeweils abnehmenden Gehalt an Kohlenstoff bei steigender Leistung. Diese hohe Güte der Analysen kann nur bei einer hinreichenden Homogenität und Reproduzierbarkeit des Plasmaprozesses erreicht werden. Die Proben für die XPS-Messungen, sowie die Mikroelementaranalyse entstammen unterschiedlichen Chargen des Plasmaprozesses. Somit besteht eine sehr hohe Reproduzierbarkeit von Prozess zu Prozess. Gleichzeitig waren die Proben für die Mikroelementaranalyse nahezu auf der gesamten Grundelektrode verteilt. Dies weist zudem auf eine hohe Homogenität des Beschichtungsprozesses innerhalb der Kammer hin. Diese Schlussfolgerung basiert auf dem Vergleich mit den XPS-Ergebnissen, welche ebenfalls eine Kohlenstoffabnahme zeigen, jedoch jeweils auf einer einzigen Siliziumprobe gemessen wurden. Somit zeigen sowohl die über die gesamte Grundfläche des Reaktors gemittelten Werte, als auch die positionsabhängige XPS-Messung die gleiche Tendenz. Dieses Ergebnis kann nur durch die moderne und umfangreiche Prozesssteuerung, als auch durch den Aufbau der Plasmakammer selbst erzielt werden. Es wurde ein im gesamten, effektiven Reaktorraum homogen brennendes Plasma geschaffen.Overall, it is noticeable that the chemical composition measurements are very consistent overall. This means that the results from the XPS and from the microelementaranalysis fit together very well, even though they are completely different analytical methods. The most striking feature of this is the decreasing content of carbon with increasing power. This high quality of the analyzes can be achieved only with a sufficient homogeneity and reproducibility of the plasma process. The samples for the XPS measurements, as well as the micro elemental analysis come from different batches of the plasma process. Thus, there is a very high reproducibility from process to process. At the same time, the samples for the microelemental analysis were distributed almost on the entire base electrode. This also indicates a high homogeneity of the coating process within the chamber. This conclusion is based on comparison with the XPS results, which also show a decrease in carbon, but were measured on a single silicon sample. Thus, both the values averaged over the entire base area of the reactor and the position-dependent XPS measurement show the same tendency. This result can be achieved only by the modern and extensive process control, as well as by the construction of the plasma chamber itself. It was created in the entire, effective reactor space homogeneously burning plasma.
Bei näherer Betrachtung können wertvolle Informationen aus dem H:C-Verhältnis gewonnen werden. Das Verhältnis in Abhängigkeit der Plasmaleistung ist in
Figur 8 stellt dar: H:C-Verhältnis in at-% aus der MikroelementaranalyseFigure 8 illustrates: H: C ratio in at% from microelemental analysis
Wie schon zuvor beschrieben ist eine Abnahme des H:C-Verhältnisses bei zunehmender Leistung des Plasmaprozesses zu verzeichnen. Dies bedeutet, dass es bei zunehmender Leistung andere Strukturelemente vorhanden sein müssen, welche ein geringeres H:C-Verhältnis erzeugen. Ein lineares PDMS hat zum Beispiel ein H:C-Verhältnis von exakt 3. Eine CH2-Gruppe hat hingegen ein Verhältnis von 2. Die resultierende Vernetzungsstruktur wird in Beispiel 6 diskutiert.As previously described, there is a decrease in the H: C ratio with increasing plasma process performance. This means that with increasing power other structural elements must be present which produce a lower H: C ratio. For example, a linear PDMS has a H: C ratio of exactly 3. However, a CH 2 group has a ratio of 2. The resulting crosslinking structure is discussed in Example 6.
Messbeispiel 4: Oberflächenenergie-Messung der Schichten aus 1Measuring Example 4: Surface Energy Measurement of the Layers of FIG
Easy-to-clean Beschichtungen, wie auch Trennschichten müssen über eine geringe Oberflächenenergie verfügen, insbesondere über einen niedrigen polaren Anteil der Oberflächenenergie. Nur so sind sie in der Lage die Wechselwirkungskräfte mit Stoffen auf ihrer Oberfläche klein zu halten und den technischen Anforderungen zu genügen.Easy-to-clean coatings, as well as release coatings, must have a low surface energy, in particular a low polar fraction of the surface energy. Only then are they able to minimize the interaction forces with substances on their surface and to meet the technical requirements.
Die freie Oberflächenenergie eines Festkörpers kann aus dem messbaren Dreiphasenkontaktwinkel berechnet werden. Die Messung des Kontaktwinkels und deren mathematische Beschreibung geht auf Thomas Young zurück. Young beschrieb den messbaren Kontaktwinkel Θ (Gleichung 4).
Hierbei sind σs und σl die Oberflächenenergien des Festkörpers und der verwendeten Testflüssigkeit. Für die Wechselwirkung σsl gibt es verschiedene Ansätze. In dieser Arbeit wird der Ansatz nach Owens-Wendt-Rabel-Kaelble verwendet, siehe Gleichung 5.
Dieser Ansatz zur Lösung der freien Oberflächenenergie eines Festkörpers geht davon aus, dass sich die Wechselwirkung zwischen der festen und der flüssigen Phase σsl sich über den geometrischen Mittelwert der dispersen Anteile
Um das aus Gleichung 5 und 6 entstehende Gleichungssystem zu lösen, sind Messungen des Kontaktwinkels mit mindestens zwei Flüssigkeiten mit bekannten polaren und dispersen Anteilen durchzuführen. Hierbei muss weiterhin darauf geachtet werden, dass mindestens eine der beiden Flüssigkeiten einen polaren Anteil
Grundsätzlich sind zwei verschiedene Messmethoden zur Ermittlung des Kontaktwinkels gebräuchlich. Einerseits die dynamische Methode, bei der der Tropfen während der Messung des Kontaktwinkels aus einer Kanüle expandiert wird, fortschreitende Kontaktwinkelmessung. Andererseits findet die statische Messmethode Anwendung. Hier wird ein definiertes Tropfenvolumen mittels einer Kanüle auf der Probenoberfläche platziert und anschließend der Kontaktwinkel ohne Anwesenheit der Kanüle gemessen. Hier wurde die statische Messmethode verwendet. Hierzu wurden auf einem Siliziumwafer jeweils der Kontaktwinkel an 10 Wasser- und Diiodmethantropfen gemessen. Aus den Mittelwerten der gemessenen Kontaktwinkel wird die Oberflächenenergie nach Owens-Wendt-Rabel-Kaelble bestimmt.In principle, two different measuring methods are used to determine the contact angle. On the one hand, the dynamic method, in which the droplet is expanded from a cannula during the measurement of the contact angle, progressive contact angle measurement. On the other hand, the static measurement method is used. Here, a defined drop volume is placed on the sample surface by means of a cannula, and then the contact angle is measured without the presence of the cannula. Here the static measuring method was used. For this purpose, the contact angle of 10 drops of water and diiodomethane were measured on a silicon wafer. From the mean values of the measured contact angles, the surface energy is determined according to Owens-Wendt-Rabel-Kaelble.
Die Messungen wurden mit dem „Kontaktwinkelmessgerät G2“ der Firma „Krüss“ durchgeführt. Hierzu wurden Tropfen mit einem Volumen von 2µl auf der Probenoberfläche deponiert und über 10 Sekunden der Kontaktwinkel mit einer Messrate von einer Sekunde gemessen. Dieser Vorgang wurde an 10 unterschiedlichen Positionen einer Probe mit jeweils zwei Flüssigkeiten (Wasser und Diiodmethan) durchgeführt. Als Proben wurden beschichtete 2-Zoll Wafer aus Silizium verwendet.The measurements were carried out with the "contact angle measuring device G2" from the company "Krüss". For this purpose, drops with a volume of 2 μl were deposited on the sample surface and the contact angle was measured for 10 seconds at a measuring rate of one second. This process was performed at 10 different positions of a sample with two liquids each (water and diiodomethane). The samples used were coated 2-inch silicon wafers.
Es zeigt sich, dass die Oberflächenenergie der nicht erfindungsgemäßen Referenz deutlich erhöht ist gegenüber den erfindungsgemäßen Schichten. Insbesondere der polare Anteil weist mit ca. 5,25 mN/m einen deutlich höheren Wert auf, siehe hierzu
Messbeispiel 5: Dichtemessung der Schichten aus Beispiel 1Measuring Example 5: Density Measurement of the Layers of Example 1
Die Dichte dünner Schichten kann über eine Messung der Dispersion von akustischen Oberflächenwellen, englisch surface acoustic waves, kurz SAW, in beschichteten Medien ermittelt werden. Dabei werden mit einem Laser Rayleighwellen an der Probenoberfläche erzeugt. Aufgrund der Beschichtung kommt es zu einer Dispersion der sich ausbreitenden Welle. Die Dispersionsfunktion kann auf einem bekannten Substrat mit den Parametern Schichtdicke, Dichte, E-Modul und Poissonzahl gefittet werden. Somit ist es möglich zerstörungsfrei diese Materialeigenschaften zu vermessen. Die Erzeugung der akustischen Oberflächenwelle beruht auf einer kurzzeitigen, örtlich begrenzten Erwärmung. Die Erwärmung durch den gepulsten Laserstrahl erzeugt eine thermische Ausdehnung an der Probenoberfläche und somit eine akustische Oberflächenwelle. Diese Welle beinhaltet ein großes Frequenzspektrum, wodurch es bei Vorhandensein einer dünnen Oberflächenbeschichtung zu einer Dispersion kommt. Als Messkurve wird die Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle über der Frequenz dargestellt. Nach der Theorie von Farnell und Adler (vgl.
In einem homogenen, isotropen Material gilt für die Phasengeschwindigkeit c einer akustischen Oberflächenwelle der Zusammenhang in Gleichung 7.
Hierbei ist E das E-Modul des homogenen, isotropen Materials, v die Poissonzahl, welche das Querkontraktionsverhältnis angibt und ρ die Dichte. Dieser einfache Zusammenhang der Ausbreitungsgeschwindigkeit mit den elastischen Parametern des Materials gilt nur für unbeschichtete Substrate. Liegt eine dünne Oberflächenbeschichtung vor, so kommt es aufgrund der unterschiedlichen elastischen Parameter und Dichten zu einer Dispersion der Ausbreitungsgeschwindigkeit, c wird frequenzabhängig. Bei höheren Frequenzen sinkt die Eindringtiefe der Welle in das Probenmaterial. Somit trägt bei ausreichender Schichtdicke und höheren Frequenzen hauptsächlich die Beschichtung zu der Ausbreitungsgeschwindigkeit bei.Here, E is the modulus of elasticity of the homogeneous, isotropic material, v is the Poisson's number, which indicates the transverse contraction ratio, and ρ is the density. This simple relationship of the propagation velocity with the elastic parameters of the material applies only to uncoated substrates. If there is a thin surface coating, it is due to the different elastic parameters and densities to a dispersion of the propagation velocity, c becomes frequency-dependent. At higher frequencies, the penetration depth of the wave sinks into the sample material. Thus, with sufficient layer thickness and higher frequencies, the coating mainly contributes to the propagation velocity.
Um die Dispersion zu bestimmen, werden mindestens zwei Signale der Welle mit unterschiedlichen örtlichem Abstand zwischen der Laseranregung und Signalempfänger aufgenommen. Aus der Fouriertransformation der Signale lassen sich das Amplituden- und Phasenspektrum ermitteln. Das Amplitudenspektrum wird genutzt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu kontrollieren und aus dem Phasenspektrum Φ(f) wird die Dispersion nach Gleichung 8 berechnet (vgl.
Hierbei ist f die Frequenz der Welle und der Parameter x beschreibt den Abstand zwischen der Anregungslinie des Lasers und dem Detektor. Die Indizes bezeichnen zwei unterschiedliche Anregungspositionen mit den dazugehören Abständen x und Phasenfunktionen Φ(f).Here, f is the frequency of the wave and the parameter x describes the distance between the excitation line of the laser and the detector. The indices designate two different excitation positions with the associated distances x and phase functions Φ (f).
Die Datenverarbeitung erfolgt wie in „A photoacoustic method for characterising thin films“, (
Die gemessenen Dispersionskurven können abhängig von den Materialparametern, sowie der Dämpfung, welche das Beschichtungsmaterial bezüglich der akustischen Oberflächenwelle aufweist, unterschiedlich starke Krümmungen aufweisen. So kann die erhaltene Dispersionskurve nahezu einer Geraden entsprechen oder aber mehrfach gekrümmt sein.The measured dispersion curves may have different degrees of curvature depending on the material parameters, as well as the attenuation which the coating material has with respect to the surface acoustic wave. Thus, the dispersion curve obtained can correspond to nearly a straight line or be curved several times.
In dieser Untersuchung war es das Ziel die Dichte der Schicht zu ermitteln. Die Werte für die Poissonzahl und die Schichtdicke mussten aufgrund der geringen Krümmung der Dispersion auf andere Weise ermittelt werden. Die Poissonzahl wurde in Anlehnung an die Nanoindentationsmessungen auf 0,17 festgesetzt, die Schichtdicke wurde über reflektometrischen Dreipunktmessungen ermittelt.In this study, the goal was to determine the density of the layer. The values for the Poisson number and the layer thickness had to be determined in another way due to the low curvature of the dispersion. The Poisson's number was set to 0.17 based on the nanoindentation measurements, the layer thickness was determined by reflectometric three-point measurements.
Die Messungen wurden mit einem LAwave®, einer Entwicklung des Fraunhofer IWS, durchgeführt.The measurements were carried out with an LAwave ® , a development of the Fraunhofer IWS.
Die Messungen zeigen, dass die nicht erfindungsgemäße Referenz eine Massendichte aufweist, welche deutlich oberhalb der maximalen Massendichte der erfindungsgemäßen Schichten liegt (
Beispiel 6: Bestimmung eines Strukturmodells und des Vernetzungsgrades der Schichten aus Beispiel 1Example 6 Determination of a Structural Model and the Degree of Crosslinking of the Layers of Example 1
Aus den Ergebnissen der XPS, IRRAS (Beispiel 7) und Mikroelementaranalyse kann ein Strukturmodell der chemischen Struktur der plasmapolymeren Beschichtung erstellt werden. Dabei werden die Ergebnisse der IRRAS Messungen nur im Hinblick auf die gefundenen funktionellen Gruppen beachtet. Es wird keine semiquantitative Auswertung der Absorptionsspektren vorgenommen. Als Abschätzung wurde angenommen, dass ca. 5 % einer funktionellen Gruppe vorhanden sein müssen, um eine erkennbare Bande im Absorptionsspektrum zu erzeugen. Dies bedeutet konkret, dass angenommen wurde, dass 5 % der Sauerstoffatome zu einer OH-Gruppe führen. Auf eine semiquantitative Auswertung wurde verzichtet, da in Vorversuchen gezeigt wurde, dass das IRRAS-Spektrum stark von der Schichtdicke abhängig ist. Daher könnten unterschiedliche Werte bei einer semiquantitativen Auswertung reine Artefakte dieses Umstandes sein. Außerdem ist die Bandenzuordnung, insbesondere im Fingerprint Bereich (750-1500 1/cm) bei plasmapolymerisierten Proben sehr schwierig. Diese Art der Proben enthält eine Vielzahl ähnlicher Strukturelemente wodurch sehr breite Banden entstehen, welche nicht ohne weiteres in ihre Bestandteile zerlegt werden können.From the results of the XPS, IRRAS (Example 7) and microelement analysis, a structural model of the chemical structure of the plasma polymer coating can be created. The results of the IRRAS measurements are only considered with regard to the functional groups found. There is no semiquantitative evaluation of the absorption spectra. It was estimated that approximately 5% of a functional group must be present to produce a detectable band in the absorption spectrum. Specifically, this means that it has been assumed that 5% of the oxygen atoms result in an OH group. A semiquantitative evaluation was omitted, as it was shown in preliminary experiments that the IRRAS spectrum is highly dependent on the layer thickness. Therefore, different values in a semiquantitative evaluation could be pure artifacts of this circumstance. In addition, the band assignment, especially in the fingerprint range (750-1500 1 / cm) is very difficult for plasma-polymerized samples. This type of sample contains a multitude of similar structural elements which give rise to very broad bands which can not be readily decomposed into their constituent parts.
Mit Hilfe der XPS Daten wurde zur Erstellung eines Strukturmodells, neben der Ermittlung der Elementkonzentrationen, ein Peakfitting am Si 2p Peak durchgeführt. Da das p-Orbital energetisch in 2p1/2 und 2p3/2 aufspaltet wurden die vier möglichen Oxidationszustände des Siliziums mit Dubletts gefittet. Zur Kalibrierung der Energieskala wurde der aliphatische C1s-Peak auf 285,0 eV festgesetzt. Hierbei wurde keine Verschiebung des Peaks durch mögliche OH-Gruppen berücksichtigt, sondern der Peak wie gemessen auf 285 eV gelegt. Der Fehler der durch die nicht berücksichtigte Verschiebung des Peakmaximums durch die OH-Gruppen ist sehr gering, da der prozentuale Anteil der OH-Gruppen an der Gesamtpeakfläche des C1s lediglich wenige Prozent beträgt.With the help of the XPS data a peak fitting at the Si 2p peak was carried out in addition to the determination of the element concentrations. Since the p-orbital energetically in 2p 1/2 and 2p 3/2 splitting up the four possible oxidation states of silicon were fitted with doublets. To calibrate the energy scale, the aliphatic C1s peak was set at 285.0 eV. Here, no shift of the peak was considered by possible OH groups, but the peak as measured to 285 eV laid. The error caused by the disregarded shift of the peak maximum through the OH groups is very small, since the percentage of OH groups in the total peak area of the C1s is only a few percent.
Die Mikroelementaranalyse liefert einen Hinweis bezüglich des Verhältnisses von CH3- zu CH2-Gruppen in den unterschiedlichen plasmapolymeren Beschichtungen. Aus der Gesamtheit der Ergebnisse kann ein chemisches Strukturmodell erstellt werden.The microelement analysis provides an indication of the ratio of CH 3 to CH 2 groups in the different plasma polymer coatings. From the set of results, a chemical structural model can be created.
Um ein Strukturmodell aus den Messdaten der chemischen Zusammensetzung erstellen zu können, wird das Peakfitting verwendet. Hierzu werden Annahmen zu den vorhandenen Oxidationsstufen des Siliziums gemacht. Jede Oxidationsstufe weist eine andere Bindungsenergie auf. Damit kann der gemessene Si 2p Peak in seine Bestandteile zerlegt werden.In order to be able to create a structural model from the measured data of the chemical composition, the peak fitting is used. For this purpose, assumptions are made about the existing oxidation states of the silicon. Each oxidation state has a different binding energy. Thus, the measured Si 2p peak can be decomposed into its constituents.
Ein Beispiel des Peakfittings des Si 2p Peaks ist in
In
Aus dem Peakfitting ergeben sich die prozentualen Anteile der verschiedenen siliziumoxidischen Strukturelemente. Eine graphische Darstellung dieser Anteile findet sich für die Beschichtungen aus Beispiel 1 in
Hierbei ist ersichtlich, dass die prozentualen Anteile der Oxidationszustände bei allen verwendeten Leistungen innerhalb des Fehlerbereichs konstant sind. Der Fehlerbereich der Fitergebnisse wurde über einen in der Software implementierten Monte-Carlo-Algorithmus abgeschätzt. Die gleichbleibenden Prozentanteile der Oxidationsstufen weisen darauf hin, dass sich die grundsätzliche Vernetzung nicht ändert. Diese Erkenntnis ist konsistent mit dem konstanten O:Si-Verhältnis, welches aus den Übersichtsspektren gewonnen wurde, vgl. Beispiel 3.It can be seen here that the percentages of the oxidation states are constant for all powers used within the error range. The error range of the fiter results was estimated using a Monte Carlo algorithm implemented in the software. The constant percentages of the oxidation states indicate that the fundamental cross-linking does not change. This finding is consistent with the constant O: Si ratio, which was obtained from the overview spectra, cf. Example 3.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die chemische Struktur der fünf verschiedenen, erfindungsgemäßen plasmapolymeren Beschichtungen sehr ähnlich ist. Es ist lediglich ein leichter Anstieg an OH-Gruppen bei zunehmender Leistung, sowie eine Abnahme des H:C-Verhältnisses zu erkennen. Dies bedeutet überraschenderweise, dass sich die Beschichtungen chemisch gesehen in viel geringerem Umfang bei einer Leistungsvariation verändern als zunächst aufgrund der großen Änderung des E-Moduls angenommen. Im Hinblick auf die Änderung anderer Plasmaparameter hat die eingekoppelte Leistung einen relativ geringen Effekt auf die chemische Zusammensetzung. Diese Erkenntnisse sollten für alle erfindungsgemäßen Schichten/Festkörper zutreffen. In summary, it can be stated that the chemical structure of the five different plasma polymer coatings according to the invention is very similar. It is only a slight increase in OH groups with increasing performance, as well as a decrease in the H: C ratio to recognize. This surprisingly means that the coatings chemically change to a much lesser extent with a power variation than initially thought due to the large change in the modulus of elasticity. With regard to changing other plasma parameters, the coupled power has a relatively small effect on the chemical composition. These findings should apply to all layers / solids according to the invention.
Im Folgenden soll eine Abschätzung zur Ermittlung der kohlenstoffhaltigen Brückengruppen sowie zum Gesamtvernetzungsgrad erstellt werden. Dazu werden keine neuen Messergebnisse genutzt, sondern es wird eine empirische, mathematische Abschätzung bezüglich der Ergebnisse aus XPS und Mikroelementaranalyse durchgeführt. Hierbei soll über zu ermittelnde prozentuale Anteile verschiedener Strukturelemente sowie deren Kennwerte ein Strukturmodell erstellt werden, welches bestmöglich die Messergebnisse abbildet.In the following, an estimate for the determination of the carbon-containing bridging groups as well as the overall degree of cross-linking shall be made. For this purpose, no new measurement results are used, but an empirical, mathematical estimation with respect to the results from XPS and microelementaranalysis is performed. In this case, a structural model is to be created on the percentage of different structural elements to be determined as well as their characteristic values, which best represents the measurement results.
Zunächst werden Strukturelemente, wie sie durch den Precursor und IRRAS-Untersuchungen nahegelegt werden, ausgewählt. Nachfolgend werden die Atomverhältnisse (O:Si, C:Si und H:C) für diese möglichen Strukturelemente berechnet. Zusätzlich werden die Anteile der Siliziumoxidationszustände, entsprechend den ermittelten Werten beim Peakfitting der XPS-Ergebnisse, berücksichtigt. Unter Berücksichtigung der XPS-Ergebnisse sowie der Mikroelementaranalyse erfolgt eine bestmögliche Annäherung der möglichen Strukturelemente an die Analyseergebnisse. Durch diese Vorgehensweise ergibt sich ein wohl definierter Wertebereich für jede plasmapolymere Beschichtung.First, structural elements as suggested by the precursor and IRRAS studies are selected. The atomic ratios (O: Si, C: Si and H: C) for these possible structural elements are calculated below. In addition, the proportions of the silicon oxidation states, according to the values determined during the peak fitting of the XPS results, are taken into account. Taking into account the XPS results and the microelemental analysis, the best possible approximation of the possible structural elements to the analysis results takes place. This procedure results in a well-defined range of values for each plasma polymer coating.
Die in diesem Zusammenhang diskutierten möglichen Strukturelemente werden grundsätzlich in zwei Kategorien eingeteilt, die netzwerkbildenden Strukturgruppen und solche welche terminierend in Bezug auf die Kohlenwasserstoffbrücken wirken. Die diskutierten Strukturgruppen sind in Tabelle 6 sowie in Tabelle 7 dargestellt.The possible structural elements discussed in this context are basically divided into two categories, the network-forming structural groups and those which terminate with respect to the hydrocarbon bridges. The discussed structural groups are shown in Table 6 and Table 7.
Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die gezeigten Strukturgruppen der Einfachheit halber jeweils mit Silizium im primären Oxidationszustand gezeichnet wurden. Jede der dargestellten Strukturgruppen enthält mehrere Strukturelemente, welche sich hinsichtlich der Oxidationszustände des Siliziums unterscheiden. Durch diesen Aufbau der Strukturelemente bzw. Strukturgruppen kann später eine Verknüpfung der einzelnen Strukturelemente über das Si-O-Netzwerk erfolgen. Die gezeigten Terminierungen gehören eigentlich zur Strukturgruppe A, tragen jedoch weitere funktionelle Gruppen, wie OH-, SiH- oder Ethylen-Gruppen. Die als terminierend bezüglich der Kohlenwasserstoffbrücken eingestuften Strukturgruppen treten innerhalb der Beschichtung nur in geringeren Konzentrationen auf, sie bilden nicht das eigentliche Beschichtungsnetzwerk. It should be noted that the structure groups shown for the sake of simplicity were each drawn with silicon in the primary oxidation state. Each of the illustrated structural groups contains several structural elements which differ with respect to the oxidation states of the silicon. As a result of this structure of the structural elements or structural groups, a linking of the individual structural elements via the Si-O network can take place later. The terminations shown actually belong to structure group A, but carry other functional groups, such as OH, SiH or ethylene groups. The structural groups classified as terminating with respect to the hydrocarbon bridges occur only in lower concentrations within the coating, they do not form the actual coating network.
Die Auswahl der Strukturen erfolgte nach Einfachheit und anhand der IR-Ergebnisse. Alle verwendeten Strukturen können über die IRRAS-Spektren nicht ausgeschlossen werden. Einige, wie die OH-Gruppen sowie die Si-H-Gruppen zeigen im IRRAS-Spektrum hingegen sogar eine leistungsabhängige Tendenz. Einige andere strukturelle Gruppen wie zum Beispiel Methoxygruppen (Si-O-CH3), welche im Allgemeinen eine ausgeprägte Bande im IR aufweisen, konnten über die IRRAS-Spektren ausgeschlossen werden und bleiben daher im Strukturmodell unberücksichtigt. The choice of structures was made for simplicity and IR results. All structures used can not be excluded via the IRRAS spectra. Some, such as the OH groups and the Si-H groups, even show a performance-related tendency in the IRRAS spectrum. Some other structural groups, such as methoxy groups (Si-O-CH 3 ), which are generally a have pronounced bands in the IR, could be excluded via the IRRAS spectra and therefore remain unconsidered in the structural model.
In Tabelle 7 sind beispielhaft vier netzwerkbildende Strukturgruppen als primäre Strukturen bezüglich des herkömmlichen Si-O Netzwerks dargestellt. Bei der Strukturgruppe A handelt es sich um reine Siloxane. Die Strukturgruppe B hingegen weist eine Kohlenwasserstoffbrücke auf. Hierbei handelt es sich um eine Methylenbrücke. Strukturgruppe C beinhaltet eine Oxymethylenbrücke. Schließlich stellt Strukturgruppe D eine Ethylenbrücke dar.In Table 7, four network-forming structure groups are exemplified as primary structures with respect to the conventional Si-O network. Structure group A is pure siloxanes. The structural group B, however, has a hydrocarbon bridge. This is a methylene bridge. Structure group C includes an oxymethylene bridge. Finally, structural group D represents an ethylene bridge.
Bei der Kalkulation wurden alle möglichen Kombinationen der Oxidationszustände des Siliziums berücksichtigt. Eine ausführlichere Darstellung dieser Vorgehensweise inklusive der berechneten Atomverhältnisse der unterschiedlichen Strukturelemente am Beispiel der Strukturgruppe D findet sich in Tabelle 8.In the calculation, all possible combinations of the oxidation states of the silicon were considered. A more detailed description of this procedure including the calculated atomic ratios of the different structural elements using the example of structure group D can be found in Table 8.
Tabelle 8: Strukturgruppe D mit allen berücksichtigten Strukturelementen sowie den jeweiligen atomaren Verhältnissen
Tabelle 9: alle berücksichtigten Strukturelemente sowie die jeweiligen atomaren Verhältnissen
Die Gesamtübersicht der Atomverhältnisse der jeweiligen Struktur, sortiert nach Strukturgruppen findet sich in Tabelle 9. Wie in Tabelle 8 ersichtlich, werden bei der Kalkulation der strukturellen Anteile der erfindungsgemäßen Schichten keine Strukturelemente berücksichtigt, welche quartäres Silizium aufweisen. Dies ist begründet in den Ergebnissen der Si2p-Peakanpassung aus den XPS-Daten. Vergleiche hierzu Beispiel 3, die plasmapolymeren Schichten weisen kein quartäres Silizium auf.The overall overview of the atomic ratios of the respective structure, sorted according to structural groups, can be found in Table 9. As can be seen in Table 8, in the calculation of the structural components of the layers according to the invention, no structural elements are considered which have quaternary silicon. This is due to the results of Si2p peak matching from the XPS data. See Example 3, the plasma polymer layers do not have quaternary silicon.
Im Folgenden wird das Vorgehen bei der Kalkulation der prozentualen Anteile der unterschiedlichen Strukturelemente beschrieben. Zunächst wurde eine Tabelle angelegt, welche alle Strukturelemente mit ihren jeweiligen Kenngrößen (H:C, C:Si und O:Si-Verhältnis) enthält. Des Weiteren werden Spalten für die Berechnung der hypothetischen Atomverhältnisse benötigt. Nun wird eine prozentuale Häufigkeit bei jedem Strukturelement angenommen. Aus dem Anteil eines einzelnen Strukturelements und dem jeweiligen Atomverhältnis wird das Produkt gebildet. Es ist darauf geachtet worden, dass die Gesamtsumme der Anteile 100% beträgt. Nun kann die Summe der hypothetischen Atomanteile über alle Strukturelemente gebildet werden und durch hundert geteilt werden. Daraus ergibt sich direkt das hypothetische Atomverhältnis von H:C, C:Si sowie O:Si in Abhängigkeit von der angenommen prozentualen Verteilung der Strukturelemente. Die hypothetischen Atomverhältnisse werden über eine Variation der angenommen prozentualen Anteile an die aus dem XPS bekannten Werte angepasst. Gleichzeitig muss die hypothetische Verteilung der Oxidationszustände des Siliziums eine geringe Abweichung, im Rahmen des Fehlers der XPS-Ergebnisse, aufweisen. The procedure for calculating the percentage of the different structural elements is described below. First, a table was created which contains all the structural elements with their respective parameters (H: C, C: Si and O: Si ratio). Furthermore, columns are needed for the calculation of the hypothetical atomic ratios. Now, a percentage frequency is assumed for each feature. From the proportion of a single structural element and the respective atomic ratio of the product is formed. It has been ensured that the total amount of the shares is 100%. Now the sum of the hypothetical atomic proportions can be formed over all structural elements and divided by one hundred. This results directly in the hypothetical atomic ratio of H: C, C: Si and O: Si as a function of the assumed percentage distribution of the structural elements. The hypothetical atomic ratios are adjusted via a variation of the assumed percentages of the values known from the XPS. At the same time, the hypothetical distribution of the oxidation states of the silicon must show a small deviation in the context of the error of the XPS results.
Die hypothetische Verteilung der Oxidationszustände kann über eine Klassifikation in primäre, sekundäre, ternäre und quartäre Strukturelemente erfolgen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Strukturgruppen B, C und D aus jeweils zwei Si-Atomen bestehen und daher die Anteile mit den Faktoren 0,5 oder 2 zu gewichten sind. Die so gefundene Verteilung wird auf eine Summe von 100% normiert und mit den Ergebnissen der Si2p-Peakanpassung aus den XPS-Daten verglichen. Liegt bei der gefundenen Verteilung der prozentualen Strukturelementanteile eine gute Übereinstimmung sowohl mit den gemessenen Atomverhältnissen, als auch mit den Oxidationszuständen vor, kann die so gefundene Zusammensetzung als Lösung dieses unterbestimmten Gleichungssystems angenommen werden.The hypothetical distribution of the oxidation states can be made by a classification into primary, secondary, ternary and quaternary structural elements. It should be noted that the structural groups B, C and D each consist of two Si atoms and therefore the proportions are to be weighted with the factors 0.5 or 2. The distribution thus found is normalized to a sum of 100% and compared with the results of Si2p peak fitting from the XPS data. If there is a good agreement with the distribution of the percentage of structural elements found, both with the measured atomic ratios and with the oxidation states, the composition thus found can be assumed to be the solution of this underdetermined system of equations.
Durch die Randbedingungen, Atomverhältnisse, Oxidationszustände und Gesamtsumme der prozentualen Anteile, handelt es sich um 8 Gleichungen. Dem gegenüber existieren 32 Strukturelemente und somit 32 Variablen im Gleichungssystem. Das System ist also deutlich unterbestimmt, wodurch mehrere mögliche Lösungen existieren. Um die Signifikanz des gefundenen Ergebnisses zu verifizieren wurde ein Abgleich mit anderen Messergebnissen herangezogen. Aus den IRRAS-Spektren ist bekannt, dass die Beschichtungen, welche bei höherer Plasmaleistung abgeschieden werden, sowohl mehr OH-, als auch Si-H-Gruppen aufweisen müssen. Diese Tendenz muss sich in der gefundenen Strukturverteilung wiederfinden. Des Weiteren können Kenntnisse des Plasmaprozesses genutzt werden um eine Konsistenzprüfung der gefundenen Verteilungen durchzuführen. Auch hier ist nur ein Vergleich aller Beschichtungen möglich. Dabei handelt es sich um die begründete Annahme, dass bei höheren Plasmaleistungen eine stärkere Fragmentierung eintritt und somit der Anteil der Strukturgruppe A, welche auf dem Precursor HMDSO basiert, über die verschiedenen Leistungen hinweg abnehmend, zumindest konstant ist. Aufgrund der nicht nominell bestimmbaren äußeren Einschränkungen, welche das gesamte Beschichtungssystem und nicht unabhängig die jeweils eingekoppelte Leistung betreffen (Anteil an OH und Si-H-Gruppen, Abnahme Strukturgruppe A), sollte die Kalkulation in einer konsistenten Reihenfolge durchgeführt werden. Entweder von den niedrigen Leistungen, PDMS-artig mit einem großen Anteil an Siloxangruppen, hin zu den hohen Leistungen oder umgekehrt. Dabei hat es sich bewährt die Werte der vorherigen Leistung als Ausgangspunkt für die nächsthöhere Leistung zu nutzen.By the boundary conditions, atomic conditions, oxidation states and total of the percentages, there are 8 equations. In contrast, there are 32 structural elements and thus 32 variables in the equation system. The system is thus clearly underdetermined, as a result of which there are several possible solutions. In order to verify the significance of the found result, a comparison with other measurement results was used. It is known from the IRRAS spectra that the coatings which are deposited at higher plasma power must have both more OH and Si-H groups. This tendency must be reflected in the structure distribution found. Furthermore, knowledge of the plasma process can be used to perform a consistency check of the found distributions. Again, only a comparison of all coatings is possible. This is the well-founded assumption that at higher plasma powers a stronger fragmentation occurs and thus the proportion of the structural group A, which is based on the precursor HMDSO decreasing, at least constant, across the different powers. Owing to the non-nominally determinable external restrictions which relate to the entire coating system and not independently to the respective coupled power (proportion of OH and Si-H groups, decrease of structure group A), the calculation should be carried out in a consistent order. Either from the low power, PDMS-like with a large amount of siloxane groups, to the high power or vice versa. It has proven to use the values of the previous performance as a starting point for the next higher performance.
Das vorgestellte Vorgehensschema kann in einer „least square“-Optimierung des unterbestimmten Gleichungssystems implementiert werden. Dadurch ist es möglich eine vom Anwender unabhängigere Auswertung der Strukturanteile vorzunehmen. Innerhalb dieses Beispiels wurde die Implementierung in Form eines Python-Skripts umgesetzt. Bei Python handelt es sich um eine Programmiersprache welche sich gut zum lösen mathematischer Probleme eignet.The presented procedure scheme can be implemented in a least square optimization of the underdetermined system of equations. This makes it possible to carry out a more independent evaluation of the structure components by the user. Within this example, the implementation was implemented as a Python script. Python is a programming language that is well-suited for solving mathematical problems.
Durch die Anpassung der Verteilung der Strukturelemente unter den gegebenen Randbedingungen ist es möglich konsistente Ergebnisse der Strukturgruppenverteilung für alle untersuchten Plasmaleistungen zu finden. Die Ergebnisse stimmen in den Tendenzen gut mit der manuell gefundenen Lösung überein. Zur Verifizierung der Signifikanz des Anpassungsergebnisses wurden zwei verschiedene bereits implementierte Algorithmen verwendet. Die Algorithmen unterscheiden sich nicht in der grundsätzlichen Minimierung, sondern nur in dem Parameter auf den sich die Minimierung bezieht. So findet bei dem einen Algorithmus eine Minimierung des Betragsquadrates des aus dem umgestellten Gleichungssystems resultierenden Vektors statt. Der zweite Algorithmus hingegen nimmt eine Minimierung jeder einzelnen Vektorkomponente vor. Zusätzlich wurde die Konstanz der Strukturgruppenanteile bei variierender Gesamtstrukturelementanzahl betrachtet. Die Ergebnisse sind in
Zur Optimierung wurde jeweils die Funktion in Gleichung 9 genutzt. Hierbei handelt es sich um das aufgestellte, umgeformte lineare Gleichungssystem. Dabei handelt es sich bei A um die Koeffizientenmatrix, welche sämtliche Atomverhältnisse, sowie den Beitrag der Strukturelemente zu den Oxidationszuständen beschreibt. Der Vektor b ist der Ergebnisvektor, welche die nominellen Messwerte aus der XPS Analyse enthält. Um das Problem mittels eines „least squares“-Algorithmus zu lösen muss der Vektor c an den Algorithmus übergeben werden. Dieser Vektor bzw. dessen Betragsquadrats muss minimiert werden.For optimization, the function in
Die
Für beide Algorithmen wurden dasselbe Gleichungssystem sowie die gleichen Randbedingungen verwendet. Das Gleichungssystem besteht hier aus 10 Gleichungen, da der Anteil an OH- und (Si-H)-Gruppen je Beschichtung vorgegeben werden muss, um zu einem physikalisch sinnvollen Ergebnis zu gelangen. Des Weiteren gibt es zwei Randbedingungen die die Anpassung weiter einschränken, einerseits die Limitierung der Terminierungen auf maximal 20% der Gesamtmenge der Strukturelemente und andererseits die Begrenzung der Gesamtsumme an (C-O)-Bindungen aufgrund der Peakanpassung des C1s in den XPS-Daten.For both algorithms the same system of equations and the same boundary conditions were used. The system of equations consists of 10 equations, since the proportion of OH and (Si-H) groups per coating must be specified in order to arrive at a physically meaningful result. Furthermore, there are two constraints that further constrain the fit, on the one hand limiting the terminations to a maximum of 20% of the total set of features and on the other hand limiting the total sum of (C-O) bonds due to peak matching of the C1s in the XPS data.
Da die Anpassungen bei der niedrigsten Plasmaleitung zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen führen, wurde das Produkt A ∗ x nach der Optimierung betrachtet. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Anpassung über die Minimierung der Vektorkomponenten von c deutlich genauer die geforderten Ergebnisse liefert. Daher wurde nachfolgend dieser Algorithmus genutzt.Since the adjustments at the lowest plasma lead to slightly different results, the product A * x was considered after the optimization. It could be determined that the adaptation via the minimization of the vector components of c provides the required results much more accurately. Therefore, this algorithm was used below.
Um die Abhängigkeit der gefundenen Strukturgruppenverteilung bei unterschiedlichen Gesamtzahlen an Strukturelementen zu überprüfen, wurde die Variation in
Da die Variation der Anzahl an Strukturelementen ein gleichbleibendes Ergebnis der Strukturgruppenverteilung zeigt, wird eine Gesamtanzahl von 1000 Strukturelementen genutzt. Gleichzeitig werden 100 Anpassungen mit jeweils willkürlich verteilten Startvektoren durchgeführt. Aus diesen Einzelergebnissen können der Mittelwert und die Standardabweichung für jede Strukturgruppe bestimmt werden. Diese Anpassung wird für alle verwendeten Beschichtungen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in
In
Des Weiteren wird durch die Abbildung deutlich, dass die Ethylenbrücken bei höheren Plasmaleistungen die dominante Gruppe darstellt.Furthermore, the figure clearly shows that the ethylene bridges represent the dominant group at higher plasma powers.
Die Methylenbrücken bilden sich nur zu einem sehr geringen Anteil. Die Methoxybrücken werden durch die schon beschriebene Randbedingung, des Gehalts an C-O-Bindungen, nach oben begrenzt. Die Anteile an OH-, sowie Si-H-Gruppen wurden jeweils aufgrund der IRRAS Ergebnisse fest vorgegeben und stellen Annahmen dar. Der Absolutanteil dieser Gruppen ist nicht bekannt. Allerdings stellt der exakte Wert an (Si-H)- und OH-Gruppen lediglich einen Offset für die anderen Strukturgruppen dar. Dies bedeutet, dass sich die je Plasmaleistung dominierende Strukturgruppe nicht ändern wird, sondern lediglich alle Strukturgruppen leicht geänderte Anteile, bei geänderter Festsetzung des (Si-H)- bzw. OH-Gehalts, aufweisen.The methylene bridges are formed only to a very small extent. The methoxy bridges are bounded by the already described boundary condition, the content of C-O bonds. The proportions of OH- and Si-H groups were fixed in each case on the basis of the IRRAS results and represent assumptions. The absolute proportion of these groups is not known. However, the exact value of (Si-H) and OH groups only represents an offset for the other structure groups. This means that the structure group dominating per plasma power will not change, but only all structural groups slightly changed proportions, if the setting has changed of (Si-H) - or OH content, respectively.
Über die mathematische Anpassung mittels des „least squares“-Verfahrens können die unterschiedlichen Vernetzungsstrukturen der plasmapolymeren Beschichtungen unter Einhaltung der Konsistenzkriterien abgeschätzt werden. Die Tendenzen sind in Tabelle 10 zusammengefasst. Auf die Angabe der Standardabweichung wurde der Übersichtlichkeit halber hier verzichtet. Diese kann der
Tabelle 10: Zusammenfassende Darstellung der Strukturgruppen für die untersuchten plasmapolymeren Beschichtungen; nur Mittelwerte (ohne Standardabweichung)
Über die mathematische Anpassung, wie auch über die manuelle Methode, wird die prozentuale Verteilung aller 32 Strukturelemente abgeschätzt. Diese Strukturelemente wurden bisher jeweils zu den Strukturgruppen zusammengefasst. Nun sollen die Prozentzahlen der einzelnen Strukturelemente selbst betrachtet werden.The mathematical adaptation, as well as the manual method, is used to estimate the percentage distribution of all 32 structural elements. These structural elements have hitherto been combined to form the structural groups. Now, the percentages of the individual structural elements themselves are to be considered.
Aus diesen Prozentzahlen und einer eingeführten Kennzahl, der Si-Netzzahl, kann ein Si-Vernetzungsgrad der plasmapolymeren Beschichtungen bestimmt werden. Die Si-Netzzahl beschreibt die Anzahl an Netzwerk bildenden Bindungen, die ein Siliziumatom aufweist. Bei SiO2, im Falle einer unendlich ausgedehnten Struktur, beträgt der Si-Vernetzungsgrad 100% und die Si-Netzzahl 4. Jedes Si-Atom weist 4 Sauerstoff-Bindungen auf, die zum Netzwerk beitragen. Die eingeführte Si-Netzzahl ist aber nicht auf eine Vernetzungsstruktur bezogen, sondern berücksichtigt alle möglichen Strukturgruppen. Somit kann jedem der Strukturelemente eine solche Si-Netzzahl zugeordnet werden. Ein Vernetzungsgrad von 75% wäre zum Beispiel eine Struktur bei der jedes Siliziumatom exakt drei netzbildende Bindungen besitzt, zum Beispiel das bereits erwähnte Polymethylsilsesquioxan. Ein Vernetzungsgrad von 50% entspricht linearen Ketten mit jeweils zwei vernetzenden Bindungen je Siliziumatom. Hierbei kann es sich zum Beispiel um PDMS handeln.From these percentages and an introduced index, the Si mesh number, a degree of Si crosslinking of the plasma polymer coatings can be determined. Si mesh number describes the number of network-forming bonds that a silicon atom has. In the case of SiO 2 , in the case of an infinitely extended structure, the Si crosslinking degree is 100% and the Si network number is 4. Each Si atom has 4 oxygen bonds contributing to the network. However, the introduced Si network number is not related to a crosslinking structure, but takes into account all possible structure groups. Thus, each of the structure elements can be assigned such a Si network number. For example, a degree of crosslinking of 75% would be a structure in which each silicon atom has exactly three network-forming bonds, for example the polymethylsilsesquioxane already mentioned. A degree of crosslinking of 50% corresponds to linear chains with two crosslinking bonds per silicon atom. This can be, for example, PDMS.
In
Die gefundenen Ergebnisse beruhen rein auf empirischen, mathematischen Versuchen und stellen keinen Anspruch auf ein exaktes Strukturmodell dar. Mit anderen Worten, die Erfinder sehen sich nicht an diese Theorie gebunden. Trotzdem lassen sich Tendenzen feststellen. Beispielsweise, dass es sich bei den kohlenstoffhaltigen Vernetzungsstrukturen eher um Ethylengruppen handeln muss, als zum Beispiel um Methylengruppen. Die angegebenen Verteilungen der Strukturelemente bzw. Strukturgruppen wurden jeweils über die Anpassung mittels eines „least squares“-Algorithmus ermittelt. Dabei sind die bereits beschriebenen Randbedingungen eingehalten worden.The results obtained are based purely on empirical, mathematical experiments and do not claim to be an exact structural model. In other words, the inventors are not bound by this theory. Nevertheless, tendencies can be noted. For example, that the carbon-containing crosslinking structures have to be ethylene groups rather than, for example, methylene groups. The specified distributions of the structural elements or structural groups were respectively determined via the adaptation by means of a least squares algorithm. The boundary conditions already described have been complied with.
Als Gegenbeispiel wurde versucht eine Anpassung an die Messdaten nur mit der Strukturgruppe der Siloxane (A) und den Terminierungen durchzuführen. Dabei kann gezeigt werden, dass es nicht möglich ist die Messwerte nur mit diesen beiden Strukturgruppen abzubilden, siehe Tabelle 11.
Tabelle 11: Vergleich der Messwerte und der durch die mathematische Anpassung ermittelten Werte, berücksichtigte Strukturgruppe nur A und die Terminierungen
Der Anpassungsalgorithmus kann die Messwerte nicht exakt abbilden. Ganz besonders deutlich findet sich dies im H:C-Verhältnis wieder. Bei der zuvor betrachteten Anpassung, unter Berücksichtigung aller genannten Strukturgruppen, kann der Algorithmus die Messwerte sehr exakt nachbilden. Ein Unterschied tritt erst in späteren Nachkommastellen auf.The fitting algorithm can not accurately map the measured values. This is especially evident in the H: C ratio. In the previously considered adaptation, taking into account all the structural groups mentioned, the algorithm can simulate the measured values very accurately. A difference only occurs in later decimal places.
Insgesamt kann diese Kalkulation der Strukturgruppen als klarer Hinweis für einen zunehmenden Anteil an kohlenwasserstoffhaltigen Vernetzungen bei höheren Plasmaleistungen, als auch einen insgesamt ansteigenden Gesamtvernetzungsgrad. Die Zunahme an Kohlenwasserstoffvernetzungen ist Konsistenz mit dem ansteigende Gesamtvernetzungsgrad bei zunehmender Leistung und erklärt das ansteigende Elastizitätsmodul, sowie die leicht ansteigende Massendichte.Overall, this calculation of the structural groups can be a clear indication of an increasing proportion of hydrocarbon-containing crosslinks at higher plasma powers, as well as an overall increase in the overall degree of crosslinking. The increase in hydrocarbon crosslinks is consistent with the increasing overall degree of crosslinking with increasing performance and explains the increasing elastic modulus, as well as the slightly increasing mass density.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass für die erfindungsgemäßen Schichten (und nicht nur für die aus dem Beispiel 1) sukzessive ein Strukturmodell entwickelt, welches für alle betrachteten Plasmaleistungen ein gleichbleibendes Si-O Netzwerk beinhaltet und durch ein zweites, leistungsabhängiges Kohlenwasserstoffnetzwerk ergänzt wird. Dieser neuartige zweite Vernetzungsmechanismus findet über Kohlenwasserstoffe statt, primär über Ethylenbrücken (Si-CH2-CH2-Si). Dieser neue Mechanismus ist letztlich für die beobachteten, starken Änderungen der Schichteigenschaften verantwortlich. Mit Zunahme der Kohlenwasserstoffvernetzung steigt insgesamt die Vernetzungsdichte an. Dadurch erhöht sich wiederum das Elastizitätsmodul. Durch die erhöhte Vernetzung steigt zugleich die Dichte an, die Schichten werden kompakter. Der disperse Anteil der Oberflächenenergie steigt aufgrund der größeren Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Tropfen leicht an. Außerdem weisen die stärker vernetzten plasmapolymeren Beschichtungen weniger freie Methylgruppen auf. Dies bedingt einen sehr geringen Anstieg des polaren Anteils der Oberflächenenergie.In summary, it can be stated that for the layers according to the invention (and not only for those from Example 1), a structural model is developed successively, which contains a constant Si-O network for all considered plasma powers and is supplemented by a second, performance-dependent hydrocarbon network. This novel second cross-linking mechanism occurs via hydrocarbons, primarily via ethylene bridges (Si-CH 2 -CH 2 -Si). This new mechanism is ultimately responsible for the observed, large changes in layer properties. As the hydrocarbon crosslinking increases, the overall crosslinking density increases. This in turn increases the modulus of elasticity. Due to the increased cross-linking density increases at the same time, the layers become more compact. The disperse fraction of surface energy increases slightly due to the greater interaction between surface and droplet. In addition, the more crosslinked plasma polymer coatings have less free methyl groups. This requires a very small increase in the polar component of the surface energy.
Messbeispiel 7: IRRAS-Messung der Schichten aus Beispiel 1Measuring Example 7: IRRAS Measurement of the Layers from Example 1
Die Reflexions-Absorptions-Spektroskopie im infraroten Spektralbereich ist ein häufig genutztes spektroskopisches Verfahren zur chemischen Strukturanalyse. Unter Verwendung von infraroten Strahlungsquellen werden Molekülschwingungen angeregt. Die Energie bei der eine Schwingung angeregt werden kann ist abhängig von dem Molekül bzw. dem Molekülteil, so hat eine CH3-Gruppe eine andere Schwingungsfrequenz als eine CH2-Gruppe. Des Weiteren ist die Frequenz abhängig von der Art der angeregten Schwingung. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Schwingungsarten. Dabei handelt es sich entweder um Valenzschwingungen, bei denen eine Änderung der Bindungslängen vorliegt, oder um Deformationsschwingungen bei denen sich die Bindungswinkel ändern. Beide grundlegenden Schwingungsarten lassen sich weiterhin nach ihrem Symmetrieverhalten charakterisieren. Neben den symmetrischen Schwingungen, bei denen die Molekülsymmetrie erhalten bleibt, gibt es noch antisymmetrische Schwingungen welche mit dem Verlust mindestens eines Symmetrieelements einhergehen, sowie entartete Schwingungen. Aus den Absorptionsbanden dieser verschiedenen Schwingungen setzt sich das IRRAS-Spektrum zusammen [8].The reflection absorption spectroscopy in the infrared spectral range is a frequently used spectroscopic method for chemical structure analysis. Using infrared radiation sources, molecular vibrations are excited. The energy at which a vibration can be excited depends on the molecule or the moiety, so a CH 3 group has a different oscillation frequency than a CH 2 group. Furthermore, the frequency depends on the type of excited vibration. One distinguishes between different types of vibration. These are either Stretching vibrations where there is a change in the bond lengths, or deformation vibrations in which the bond angles change. Both basic modes of vibration can be further characterized by their symmetry behavior. In addition to the symmetrical oscillations, in which the molecular symmetry is retained, there are still antisymmetric oscillations associated with the loss of at least one symmetry element, as well as degenerate vibrations. The absorption bands of these different vibrations combine to form the IRRAS spectrum [8].
Für diese Untersuchung wurde ein Vertex 80/XSA der Firma „Bruker Corperation“ mit einer Strahlungsquelle im mittleren Infrarotbereich, MIR (500-4000 cm^-1), und einem stickstoffgekühlten Quecksilber-Cadmium-Tellurid (MCT) Detektor verwendet. Das Gerät wurde im Reflexionsmodus betrieben. Dies bedeutet die Probe wurde unter einem Winkel von 45° bestrahlt und die reflektierte Intensität gemessen. Bei den Proben handelt es sich um Aluminium mit der zu untersuchenden plasmapolymeren Schicht. Eine unbeschichtete Aluminiumprobe dient als Referenz und es werden eine atmosphärische Kompensation und eine Grundlinienkorrektur durchgeführt. Es ist darauf zu achten, dass die zu vergleichenden Proben dieselbe Schichtdicke aufweisen, da sich bei unterschiedlichen Schichtdicken die Verhältnisse einiger IR-Banden zueinander ändern. Somit würde eine Normierung der Spektren mit verschiedenen Schichtdicken zu falschen Schlussfolgerungen führen, da die Peakhöhen nicht mehr vergleichbar wären. Daher wurden alle mittels IRRAS ausgewerteten Proben mit einer Schichtdicke von ca. 500nm hergestellt. Somit ist die Vergleichbarkeit der Spektren gegeben. Um eine bessere Statistik der Spektren zu erzeugen wurden pro Plasmaleistung jeweils 4 Proben gemessen. Die einzelnen Spektren wurden addiert und anschließend wurde auf den maximalen Peak, auf den Si-O-Si Peak, normiert. Somit ist es möglich die Bandenhöhen miteinander zu vergleichen.For this study, a
In Beispiel 3 zeigte sich, dass lediglich der Kohlenstoffgehalt mit zunehmender Leistung leicht abnimmt. Dies kann mittels der IRRAS Messungen auf einen Anstieg von Si-H und -OH Gruppen zurückgeführt werden. Diese Banden wachsen bei zunehmender Leistung im Absorptionsspektrum auf, siehe hierzu
Des Weiteren kann zwar nicht das Vorhandensein von Si-CH2-CH2-Si Gruppen direkt nachgewiesen werden, doch ist es möglich die Abnahme an Si-CH3 Gruppen nachzuweisen. Dies kann im IRRAS Spektrum beobachtet werden, siehe
In dem Spektrum ist ersichtlich, dass die Intensität der Si-(CH3)x Peaks bei höheren Plasmaleistungen abnehmend ist. Dies weist auf eine Abnahme an CH3 Gruppen bei zunehmender Plasmaleistung hin. Somit kann indirekt das entwickelte Strukturmodell aus Beispiel 6 bestätigt werden. Auch kann ein leichtes Aufwachsen der durch die Si-(CH2)1,2-Si Bindung hervorgerufene Schulter des Si-O-Si Peaks beobachtet werden. Bei der Beschichtung mit 3400 W Plasmaleistung schiebt die Bande deutlich zu niedrigeren Wellenzahlen. Somit ist ein erhöhter Anteil an Ethylenbrücken vorhanden. Hier findet sich somit ein konkreteres Indiz für die zunehmende Kohlenwasserstoffvernetzung über Ethylenbrücken.The spectrum shows that the intensity of the Si (CH 3 ) x peaks decreases with higher plasma power. This indicates a decrease in CH 3 groups with increasing plasma power. Thus, indirectly, the developed structural model of Example 6 can be confirmed. Also, a slight growth of the Si-O-Si peak caused by the Si (CH 2 ) 1,2 -Si bond can be observed. When coated with 3400 W plasma power, the band clearly shifts to lower wavenumbers. Thus, an increased proportion of ethylene bridges is present. Here is thus a more concrete indication of the increasing hydrocarbon cross-linking via ethylene bridges.
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