DE102017216139B3 - Process for producing a layer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Aufsatz (1) für eine Plasmaquelle (2) zur Dosierung von Precursoren, umfassend mindestens eine Düse (5), die an der Plasmaquelle (2) befestigt oder anderweitig in einer festen Position zur Plasmaquelle (2) anordenbar ist, derart, dass ein aus der Düse (5) ausströmender Precursor einem aus der Plasmaquelle (2) austretenden Plasmastrahl unter einem vorgegebenen Winkel (ω) sowie mit einem in einem Bereich von 0,5 mm bis 10 mm einstellbaren vorgegebenen Abstand (b) zwischen einer Austrittsöffnung der Düse (5) und einem zu beschichtenden Substrat (4) zuführbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht auf einem Substrat (4), wobei in der Nähe des Substrats (4) mindestens ein Precursor über den Aufsatz (1) in oder in die Nähe eines aus einer Plasmaquelle (2) austretenden Plasmastromes eindosiert wird.The invention relates to an attachment (1) for a plasma source (2) for metering precursors, comprising at least one nozzle (5) attached to the plasma source (2) or otherwise locatable in a fixed position to the plasma source (2) in that a precursor flowing out of the nozzle (5) is exposed to a plasma jet emerging from the plasma source (2) at a predetermined angle (ω) and with a predetermined distance (b) which can be set within a range of 0.5 mm to 10 mm between an outlet opening the nozzle (5) and a substrate to be coated (4) can be fed. The invention further relates to a method for producing a layer on a substrate (4), wherein in the vicinity of the substrate (4) at least one precursor via the attachment (1) in or in the vicinity of a plasma stream emerging from a plasma source (2) metered becomes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht oder einer Mischschicht.The invention relates to a method for depositing a layer or a mixed layer.
Die Herstellung und Nutzung von Mischschichten ist bekannt.The production and use of mixed layers is known.
Vor allem Prozesse der physikalischen Dampfphasenabscheidung (PVD) wie beispielsweise thermisches Verdampfen [Gaffney, A. M., et al. „Characterization and catalytic studies of PVD synthesized Mo/V/Nb/Te oxide catalysts.“ Journal of Catalysis 229.1 (2005): 12-23.] oder Sputtern [Hovsepian, P. Eh, A. P. Ehiasarian, and U. Ratayski. „CrAlYCN/CrCN nanoscale multilayer PVD coatings deposited by the combined high power impulse magnetron sputtering/unbalanced magnetron sputtering (HIPIMS/UBM) technology.“ Surface and coatings technology 203.9 (2009): 1237-1243.] werden zur Herstellung von Mischoxidschichten beschrieben. In der Regel wird für solche Verfahren allerdings eine entsprechende Vakuum- und Anlagentechnik benötigt, welche mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.In particular, physical vapor deposition (PVD) processes such as thermal evaporation [Gaffney, A.M., et al. "Journalization of Catalysis 229.1 (2005): 12-23.] Or sputtering [Hovsepian, P. Eh, A.P. Ehiasarian, and U. Ratayski. "CrAlYCN / CrCN nanoscale multilayer PVD coatings deposited by the combined high power impulse magnetron sputtering / unbalanced magnetron sputtering (HIPIMS / UBM) technology." Surface and coatings technology 203.9 (2009): 1237-1243.] Are described for the preparation of mixed oxide films. As a rule, however, a corresponding vacuum and system technology is required for such methods, which is associated with additional costs.
Mischschichten lassen sich auch unter Normaldruckbedingungen herstellen. Vor allem thermische CVD (chemical vapour deposition) wie die APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition) wären in diesem Zusammenhang zu nennen. Die für die chemische Umsetzung der Precursoren benötigte Energie wird bei dieser Methode häufig durch das Beheizen des Substratmaterials bereitgestellt. So können Substrattemperaturen von 200 °C bis 700 °C [
Eine weitere Methode zur Erzeugung dünner Mischoxidschichten ist die Sol-Gel-Technik [
Mischoxide bzw. Mischoxiddünnschichten oder Mischschichten allgemein können in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung finden. Zu nennen wären hier Katalysatorschichten (Mo/V/Nb/Te-Oxide [
Titandioxid wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Zu nennen wären Anwendungen im Bereich UV-Schutz, photokatalytisch aktive Schichten (z. B. selbstreinigende Oberflächen) oder Katalysatoren und z.T. antimikrobielle Anwendungen. Titandioxid in Form von Nanopartikeln ist vor allem aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche interessant [
Vor diesem Hintergrund könnten plasmabasierte Prozesse, welche Schichten mit ähnlichen Eigenschaftsspektren in nur einem Arbeitsschritt ermöglichen, von Interesse sein. Plasma-enhanced CVD (PECVD) Prozesse wurden in diesem Zusammenhang in der Literatur untersucht. Neben Prozessen, die im Vakuum arbeiten, existieren auch Methoden, die unter Atmosphärendruckbedingungen eine Schichtherstellung ermöglichen. Eine Möglichkeit wäre der Einsatz von DBD-Quellen. So wurde in der Literatur die Herstellung von TiOx-Schichten unter dem Einsatz von TiCl4 beschrieben, die nanokristalline Bestandteile enthalten [
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Abscheidung einer Schicht anzugeben.The invention is based on the object to provide an improved method for depositing a layer.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht.The object is achieved by a method for depositing a layer.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßer Aufsatz für eine Plasmaquelle zur Dosierung von Precursoren umfasst mindestens eine Düse, die an der Plasmaquelle befestigt oder anderweitig in einer festen Position zur Plasmaquelle anordenbar ist, derart, dass ein aus der Düse ausströmender Precursor einem aus der Plasmaquelle austretenden Plasmastrahl unter einem vorgegebenen Winkel sowie mit einem in einem Bereich von 0,5 mm bis 10 mm einstellbaren vorgegebenen Abstand zwischen einer Austrittsöffnung der Düse und einem zu beschichtenden Substrat zuführbar ist.An attachment according to the invention for a plasma source for metering precursors comprises at least one nozzle which can be attached to the plasma source or otherwise arranged in a fixed position relative to the plasma source, such that a precursor flowing out of the nozzle projects a plasma jet emerging from the plasma source at a predetermined angle and can be supplied with an adjustable in a range of 0.5 mm to 10 mm predetermined distance between an outlet opening of the nozzle and a substrate to be coated.
In einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen einer Austrittsöffnung der Plasmaquelle und dem Substrat und/oder der Winkel einstellbar.In one embodiment, a distance between an exit opening of the plasma source and the substrate and / or the angle is adjustable.
In einer Ausführungsform sind mindestens zwei Düsen vorgesehen.In one embodiment, at least two nozzles are provided.
In einer Ausführungsform sind die mindestens zwei Düsen unabhängig voneinander bezüglich des Abstands und/oder des Winkels einstellbar.In one embodiment, the at least two nozzles are independently adjustable in pitch and / or angle.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Schicht auf einem Substrat wird in der Nähe des Substrats mindestens ein Precursor über einen Aufsatz wie oben beschrieben in oder in die Nähe eines aus einer Plasmaquelle austretenden Plasmastromes eindosiert. In die Nähe bedeutet hier, dass der Precursor nicht direkt mit dem Plasmastrom interagieren muss. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Plasmaquelle und dem Substrat besonders groß gewählt ist und der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Düse und dem Substrat sehr klein. Denkbar wäre auch, den Precursor außermittig zum Plasmastrom einzudosieren.In a method according to the invention for producing a layer on a substrate, at least one precursor is metered into the vicinity of the substrate via an attachment as described above in or in the vicinity of a plasma stream emerging from a plasma source. Proximity means here that the precursor does not have to interact directly with the plasma stream. This is the case, for example, if the distance between the exit opening of the plasma source and the substrate is chosen to be particularly large and the distance between the exit opening of the nozzle and the substrate is very small. It would also be conceivable to dose the precursor off-center to the plasma stream.
Erfindungsgemäß wird durch Eindosieren mehrerer Precursoren in oder in die Nähe des Plasmastroms eine Metalloxid-Mischschicht oder eine Metalloxid/Halbleiteroxid-Mischschicht abgeschieden.According to the invention, by metering in a plurality of precursors in or in the vicinity of the plasma stream, a metal oxide mixed layer or a metal oxide / semiconductor oxide mixed layer is deposited.
In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Oxidschicht, eine Nitridschicht, eine Carbidschicht, eine Phosphatschicht, eine Polymerschicht, oder durch Eindosieren mehrerer Precursoren in oder in die Nähe des Plasmastroms eine Metalloxid/Nichtmetalloxid-Mischschicht, eine Halbleiteroxid/Nichtmetalloxid-Mischschicht, eine Polymer-Mischschicht, eine Metalloxid/Polymer-Mischschicht, eine Halbleiteroxid/Polymer-Mischschicht oder eine Kompositschicht bestehend aus einer Matrixschicht, die mit Partikeln beladen ist, abgeschieden.In one embodiment not according to the invention, an oxide layer, a nitride layer, a carbide layer, a phosphate layer, a polymer layer, or by metering in a plurality of precursors in or in the vicinity of the plasma stream is mixed with a metal oxide / nonmetal oxide mixed layer, a semiconductor oxide / nonmetal oxide mixed layer, a polymer Mixed layer, a metal oxide / polymer mixed layer, a semiconductor oxide / polymer mixed layer or a composite layer consisting of a matrix layer, which is loaded with particles, deposited.
In einer Ausführungsform werden die Precursoren dem Aufsatz in Form eines Gases oder Gasgemisches, als Aerosol oder in Feststoffform, beispielsweise als Pulver, zugeführt.In one embodiment, the precursors are supplied to the attachment in the form of a gas or gas mixture, as an aerosol or in solid form, for example as a powder.
Erfindungsgemäß wird mittels des Aufsatzes ein Abstand zwischen einer Austrittsöffnung der Düse und einem zu beschichtenden Substrat in einem Bereich von 0,5 mm bis 10 mm eingestellt.According to the invention, a distance between an outlet opening of the nozzle and a substrate to be coated in a range of 0.5 mm to 10 mm is set by means of the attachment.
In einer Ausführungsform wird Luft oder Stickstoff als Arbeitsgas für die Plasmaquelle verwendet.In one embodiment, air or nitrogen is used as the working gas for the plasma source.
In einer Ausführungsform erfolgen eine Temperierung des Substrates während des Beschichtungsprozesses und/oder eine anschließende Wärmebehandlung.In one embodiment, a temperature control of the substrate takes place during the coating process and / or a subsequent heat treatment.
In einer alternativen Ausführungsform unterbleiben eine Temperierung des Substrates während des Beschichtungsprozesses und/oder eine anschließende Wärmebehandlung.In an alternative embodiment, a tempering of the substrate during the coating process and / or a subsequent heat treatment are omitted.
Die Erfindung betrifft weiter ein Bauteil, umfassend eine Oberfläche, die mittels des oben beschriebenen Verfahrens mit einer photokatalytisch aktiven TiOx - Schicht oder SiOx / TiOx-Mischschicht beschichtet ist.The invention further relates to a component comprising a surface which is coated by means of the method described above with a photocatalytically active TiO x layer or SiO x / TiO x mixed layer.
Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil, umfassend eine Oberfläche, die mittels des oben beschriebenen Verfahrens mit einer Yttrium-Eisen-Granat oder Yttrium-Aluminum-Granat oder SiOx / SnOx - Mischschicht beschichtet ist. Furthermore, the invention relates to a component comprising a surface which is coated by means of the method described above with an yttrium-iron-garnet or yttrium-aluminum-garnet or SiO x / SnO x - mixed layer.
Weiter betrifft die Erfindung ein Bauteil, umfassend eine Oberfläche, die mittels des oben beschriebenen Verfahrens mit einer optisch transparenten SiOx / TiOx oder SiOx / SnOx Mischschicht beschichtet ist, wobei eine Brechzahl oder ein Brechzahlgradient über die Schichtdicke durch Variation des Mischungsverhältnisses zweier eindosierter Precursoren gezielt einstellbar ist.Furthermore, the invention relates to a component comprising a surface which is coated by means of the method described above with an optically transparent SiO x / TiO x or SiO x / SnO x mixed layer, wherein a refractive index or a refractive index gradient over the layer thickness by varying the mixing ratio of two Metered precursors is specifically adjustable.
Die erfindungsgemäß verwendeten Plasma-Jets haben im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungsprozessen den Vorteil, dass Oberflächenbereiche auch selektiv behandelbar sind. Das Erhitzen und/oder Verdampfen der Precursoren ist nicht zwingend notwendig. Stattdessen werden die Precursoren in Aerosolform zugeführt. Somit ist auch kein Aufheizen von Schläuchen notwendig, um ein Auskondensieren des Precursors zu vermeiden.The plasma jets used according to the invention have the advantage, in comparison with conventional coating processes, that surface areas can also be treated selectively. The heating and / or evaporation of the precursors is not absolutely necessary. Instead, the precursors are supplied in aerosol form. Thus, no heating of hoses is necessary to prevent condensation of the precursor.
Es wurde ein neuer Aufsatz für Plasmadüsen entwickelt, mit dem gezielt die Einspeisepunkte des Precursors in das Plasma eingestellt werden können. Dabei zeigte sich überraschenderweise, dass gezielt Mischschichten (Schichten bestehend aus mehreren Metalloxiden, beispielsweise Siliciumoxid und Titanoxid) durch gleichzeitiges Einbringen verschiedener Precursoren hergestellt werden können. Solche Schichten zeigen unter anderem die Möglichkeit auf, durch Variation des Mischungsverhältnisses diverse Schichteigenschaften (Brechzahl, photokatalytisehe Aktivität, Transmission, antimikrobielle Aktivität) gezielt einzustellen, ohne dass eine Temperierung des Substrates während des Beschichtungsprozesses oder eine anschließende Wärmebehandlung (oft 400 °C bis 500 °C) notwendig ist.A new attachment for plasma nozzles was developed with which the entry points of the precursor into the plasma can be adjusted. It has surprisingly been found that specifically mixed layers (layers consisting of several metal oxides, for example silicon oxide and titanium oxide) can be produced by simultaneous introduction of different precursors. Such layers show, inter alia, the possibility of selectively adjusting various coating properties (refractive index, photocatalytic activity, transmission, antimicrobial activity) by varying the mixing ratio, without temperature control of the substrate during the coating process or subsequent heat treatment (often 400 ° C. to 500 ° C.) C) is necessary.
Aufgrund dessen ist auch erstmalig die Beschichtung temperaturempfindlicher Substrate (beispielsweise Kunststoffe, Holz, WPC, Verbundwerkstoffe, Fasern, Textilien, Farben oder lackierte Oberflächen) möglich, vor allem zur Abscheidung photokatalytisch aktiver Schichten. Weiterhin bietet der Aufsatz den Vorteil, dass eine Verschmutzung der Plasmadüsen nicht stattfindet, im Gegensatz zur Einspeisung des Precursors direkt durch die Plasmadüse (sogenannter direct mode). Somit wird ein langzeitstabiler Plasma- und Beschichtungsprozess ermöglicht, und auf Reinigungsschritte der Plasmadüsen kann verzichtet werden.Because of this, the coating of temperature-sensitive substrates (for example plastics, wood, WPC, composites, fibers, textiles, paints or painted surfaces) is also possible for the first time, above all for the deposition of photocatalytically active layers. Furthermore, the article has the advantage that contamination of the plasma nozzles does not take place, in contrast to the feed of the precursor directly through the plasma nozzle (so-called direct mode). Thus, a long-term stable plasma and coating process is possible, and cleaning steps of the plasma nozzles can be dispensed with.
Insbesondere erfolgt die Abscheidung bei Atmosphärendruck.In particular, the deposition takes place at atmospheric pressure.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Aufsatzes für eine Plasmaquelle zur Dosierung von Precursoren, -
2 eine schematische Ansicht der Plasmaquelle und des Aufsatzes, wobei die Düse verstellbar an der Plasmaquelle angeordnet ist, -
3 eine schematische Ansicht der Plasmaquelle und des Aufsatzes mit zwei Düsen, -
4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Plasmaquelle mit linienförmigem Plasma und eines Aufsatzes zur Dosierung von Precursoren, -
5 ein Diagramm mit einer Elementkonzentration in Abhängigkeit von einer Dosiermenge eines titanhaltigen Precursors, -
6 FTIR-Spektren von SiOx / TiOx Mischschichten und reinen SiOx und TiOx Plasmaschichten, -
7 ellipsometrisch ermittelte Brechzahlen von Schichten in Abhängigkeit von einer Dosierrate für SiOx / TiOx Mischschichten und reine SiOx und TiOx Plasmaschichten, -
8 relative Bandenflächen aus FTIR-Messungen in Abhängigkeit von einer Bestrahlungszeit für SiOx / TiOx Mischschichten und reine SiOx und TiOx Plasmaschichten, -
9 eine Schichtzusammensetzung in Abhängigkeit vom Precursorfluss für SiOx / SnO Mischschichten und reine SiOx und SnO Plasmaschichten, -
10 UV/VIS-Spektren von Schichten in Transmission für SiOx / SnO Mischschichten und reine SiOx und SnO Plasmaschichten, -
11 UV/VIS-Spektren von Schichten in Transmission für TiOx Plasma schichten, -
12 eine Bandlückenbestimmung für TiOx Plasmaschichten, -
13 relative Bandenflächen aus FTIR-Messungen in Abhängigkeit von einer Bestrahlungszeit für TiOx Plasmaschichten und Referenzproben, -
14 die Schichtdicke in Abhängigkeit von der Anzahl der Durchläufe der Beschichtung für SiOx Plasmaschichten, und -
15 der Schichtdickenverlust nach abrasiver Beanspruchung in Abhängigkeit von der Anzahl der Durchläufe der SiOx Beschichtung.
-
1 a schematic view of an essay for a plasma source for the dosage of precursors, -
2 a schematic view of the plasma source and the attachment, wherein the nozzle is adjustably arranged on the plasma source, -
3 a schematic view of the plasma source and the attachment with two nozzles, -
4 a schematic view of another embodiment of a plasma source with linear plasma and an attachment for the dosage of precursors, -
5 a diagram with an element concentration as a function of a metered quantity of a titanium-containing precursor, -
6 FTIR spectra of SiO x / TiO x mixed layers and pure SiO x and TiO x plasma layers, -
7 ellipsometrically determined refractive indices of layers as a function of a metering rate for SiO x / TiO x mixed layers and pure SiO x and TiO x plasma layers, -
8th relative band areas from FTIR measurements as a function of an irradiation time for SiO x / TiO x mixed layers and pure SiO x and TiO x plasma layers, -
9 a layer composition as a function of the precursor flow for SiO x / SnO mixed layers and pure SiO x and SnO plasma layers, -
10 UV / VIS spectra of layers in transmission for SiO x / SnO mixed layers and pure SiO x and SnO plasma layers, -
11 UV / VIS spectra of layers in transmission for TiO x plasma layers, -
12 a band gap determination for TiO x plasma layers, -
13 relative band areas from FTIR measurements as a function of an irradiation time for TiO x plasma layers and reference samples, -
14 the layer thickness as a function of the number of passes of the coating for SiO x plasma layers, and -
15 the layer thickness loss after abrasive stress as a function of the number of passes of the SiO x coating.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In Vorversuchen hat sich gezeigt, dass es für viele Precursoren vorteilhaft ist, deren Interaktionzeit im Plasma auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren. Lange Verweildauern der Precursoren im Plasma können beispielsweise zu übermäßiger Partikelbildung und Agglomeration führen, was die Bildung qualitativ schlechterer Schichten, beispielsweise in Hinblick auf Abrasionsstabilität, bewirken kann. Um die Interaktionszeit auf ein notwendiges Maß zu reduzieren, wurde ein Aufsatz
Mit Hilfe dieses Aufsatzes
In einem Ausführungsbeispiel kann der Aufsatz
In Ausführungsbeispielen von Verfahren zur Erzeugung von binären Mischschichten wurden zwei Düsen
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist die Möglichkeit, den Abstand
In
In Tabelle 1 werden mögliche variable Beschichtungsparameter dargestellt.
Tabelle 1: Prozessparameter Mischschichten
Zur Schichtabscheidung wurde eine Plasmaquelle
Zum anderen können Precursoren (z. B. Hexamethyldisiloxan) in gasförmiger Form eingebracht werden. In den dargestellten Beispielen (I, II und IV) wurden Precursoren über die Verdampfereinheit STS 10.0 der Firma Sura Instruments GmbH direkt durch die Dosierdüsen eingebracht. Gasflüsse von 1 bis 25 ml/min können mit diesem System erreicht werden. Die Zudosierung ist aber nicht auf gasförmige Precursoren oder Flüssigprecursoren beschränkt. Alternativ können beispielsweise Nanopartikel-Dispersionen oder Pulver verwendet und dem Plasma zugeführt werden, über den Aufsatz
Beispiel I (SiOx / TiOx-Mischschichten)Example I (SiO x / TiO x mixed layers)
In einem Ausführungsbeispiel wurden zur Abscheidung des titanhaltigen-Schichtbestandteils die Precursoren TTIP (Titan (IV) Isopropoxid, 97%, Sigma Aldrich), TBO (Titan (IV) Butoxid, 97%, Sigma Aldrich) und TIPO (Titan (IV) Diisopropoxid bis(acetylacetonate), 75 Gew.-% in Isopropanol) direkt in den Arbeitsgasstrom der Plasmaquelle
Somit war es zielführend, die Interaktionszeit der Precursoren durch die Verwendung des in mindestens einer der
Zusätzlich zur titanhaltigen Komponente können siliciumhaltige Precursoren eingebracht werden. In den durchgeführten Versuchen wurde Hexamethyldisiloxan (HMDSO) gasförmig über die Verdampfereinheit STS
Aus Zwecken der Vergleichbarkeit wurden für alle Untersuchungen Schichtdicken von etwa 100 nm realisiert. Dafür wurde in Vorversuchen der Einfluss des Abstandes
Schichtdickenbestimmungen erfolgten mit einem Alpha-Step D-600 Profilometer (KLA Tencor, Milpitas, USA). In den Untersuchungen wurden Schichten auf Glasobjektträgern (+30 nm Pyrosil-Beschichtung, um mögliche Alkalidiffusion in die Schichten zu vermeiden) und Si-Wafern hergestellt. Alle Substrate wurden zunächst in Isopropanol/Aceton (1: 1, V:V) ultraschallgereinigt und mit Druckluft getrocknet. Röntgenphotoelektronenspektroskopische Untersuchungen (XPS) erfolgten mit einem AXIS ULTRA DLD (Kratos Analytical Ltd., Manchester, UK), um die chemische Zusammensetzung der Schichten zu bestimmen. Ellipsometrische Untersuchungen dienten der Bestimmung der Schichtdicke und der Brechzahl der Schichten.Coating thickness determinations were made using an Alpha-Step D-600 profilometer (KLA Tencor, Milpitas, USA). The tests produced layers on glass slides (+30 nm Pyrosil coating to avoid possible alkali diffusion into the layers) and Si wafers. All substrates were first ultrasonically cleaned in isopropanol / acetone (1: 1, V: V) and dried with compressed air. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was performed with an AXIS ULTRA DLD (Kratos Analytical Ltd., Manchester, UK) to determine the chemical composition of the layers. Ellipsometric investigations were used to determine the layer thickness and the refractive index of the layers.
Im folgenden Abschnitt werden ausgewählte Ergebnisse aus Untersuchungen an diesen Mischschichtsystemen dargestellt.The following section presents selected results from studies on these mixed-layer systems.
Auf die Darstellung der Sauerstoffkonzentration wird an dieser Stelle verzichtet, da der Fokus auf dem Si/Ti-Verhältnis liegen soll. Der Si-Gehalt, bei der kein titanhaltiger Precursor eingebracht wurde (Precursorfluss P=0), liegt bei etwa 28 Atom-%; Ti ist an dieser Stelle nicht nachweisbar. Mit der Zunahme des titanhaltigen Precursorflusses
Diese Untersuchungen zeigten, dass mit Zunahme des TIPO-Flusses die Bandenfläche zunimmt, welche vor allem auf CH2 -und CH3-Schwingungen dieses Precursors zurückzuführen sind [Sigma Aldrich, FTIR-Spektrum]. Zusätzlich lässt sich feststellen, dass der Anteil an Si-O-Si-Schwingungen mit zunehmendem TIPO-Precursorfluss
Ellipsometrisch ermittelte Brechzahlen der Schichten werden in
Weiterhin wurde die photokatalytische Aktivität der Beschichtungen mittels Stearinsäure-Abbaus untersucht. Hierbei wurden die FT-IR Transmissionsspektren mit einem MB3000 FT-IR Spektrometer (ABB, Zürich, Schweiz) in einem Wellenzahlbereich von 2000 cm-1 bis 4000 cm-1 und einer spektralen Auflösung von 2 cm-1 untersucht. Stearinsäure ist eine häufig genutzte Modellsubstanz und kommt den Verbindungen nahe, die sich auf natürliche Weise an Oberflächen anlagern. Die Abscheidung der Stearinsäure auf den TiOx-Oberflächen erfolgte in einer Vakuumkammer. 7 mg Stearinsäure wurden dabei auf einer Heizplatte positioniert und nach Erreichen des gewünschten Vakuums verdampft. Dieser Präparationsschritt führte zu einer Stearinsäure-Schichtdicke von etwa 100 nm auf der Probenoberfläche. Anschließend wurden die Proben in einem Abstand von 20 cm unter einer Tageslichtlampe (Ultra-VITALUX® sun lamp, OSRAM) für 3 Stunden bestrahlt. Nach 0, 30, 60, 120 und 180 Minuten Bestrahlung wurden FT-IR Spektren im oben genannten Messbereich aufgenommen. Speziell die Banden bei etwa 2800 cm-1 bis 3000 cm-1, welche auf CH3 und CH2 Streckschwindungen der Stearinsäure zurückzuführen sind, wurden hierbei untersucht. Bei vorhandener photokatalytischer Aktivität kommt es mit zunehmender Bestrahlungsdauer zur Reduktion der Bandenfläche. Die photokatalytische Aktivität der Schichten wurde dabei mit der Aktivität eines kommerziell erhältlichen Produktes, dem Pilkington Activ® (Nippon Sheet Glass Co. Ltd.) verglichen. Pilkington Activ® besteht aus einer etwa 15 nm dicken Anatas-Schicht auf einem 4 mm Float-Glas. Das Float-Glas ist zusätzlich mit einer etwa 30 nm dicken SiO2-Schicht versehen, um eine Alkali-Diffusion zu vermeiden [Mills, Andrew, et al. „Photocatalytic oxidation of deposited sulfur and gaseous sulfur dioxide by TiO2 films.“ The Journal of Physical Chemistry C 111.14 (2007): 5520-5525.].Furthermore, the photocatalytic activity of the coatings was investigated by stearic acid degradation. The FT-IR transmission spectra were investigated with a MB3000 FT-IR spectrometer (ABB, Zurich, Switzerland) in a wavenumber range of 2000 cm -1 to 4000 cm -1 and a spectral resolution of 2 cm -1 . Stearic acid is a commonly used model substance and comes close to compounds that naturally attach to surfaces. The deposition of stearic acid on the TiO x surfaces was carried out in a vacuum chamber. 7 mg stearic acid were positioned on a hot plate and evaporated after reaching the desired vacuum. This preparation step resulted in a stearic acid layer thickness of about 100 nm on the sample surface. Subsequently, the samples were irradiated at a distance of 20 cm under a daylight lamp (Ultra-VITALUX® sun lamp, OSRAM) for 3 hours. After 0, 30, 60, 120 and 180 minutes of irradiation, FT-IR spectra were recorded in the above measurement range. Specifically, the bands at about 2800 cm -1 to 3000 cm -1 , which are due to CH 3 and CH 2 stretching shrinkages of stearic acid, were examined here. If the photocatalytic activity is present, the band area is reduced as the irradiation time increases. The photocatalytic activity of the films was then compared with the activity of a commercially available product, the Pilkington Activ ® (Nippon Sheet Glass Co. Ltd.). Pilkington Activ ® consists of an about 15 nm thick anatase layer on a 4 mm float glass. The float glass is additionally provided with an about 30 nm thick SiO 2 layer to prevent alkali diffusion [Mills, Andrew, et al. "Photocatalytic oxidation of deposited sulfur and gaseous sulfur dioxide by TiO 2 films." The Journal of Physical Chemistry C 111.14 (2007): 5520-5525.].
Das Ergebnis dieses Versuchs wird in
Beispiel II (SiOx/ SnOx-Mischschichten)Example II (SiO x / SnO x mixed layers)
Als weiteres Ausführungsbeispiel wurden Siliciumoxid/ Zinnoxid/- Mischschichten hergestellt. Hierbei wurden analog zur Herstellung der Siliciumoxid/ Titanoxid-Mischschichten anstelle des titanhaltigen Precursors (TIPO) der zinnorganische Precursor Tetrabutylzinn (TBT) unter Verwendung des oben beschriebenen Aufsatzes
Untersuchungen mittels XPS zeigten ebenfalls die Möglichkeit auf, derartige Mischschichtsysteme herzustellen. In
Vergleichbar mit der Zusammensetzung der Siliciumoxid/Titanoxid/ - Mischschichten lässt sich für dieses Schichtsystem ein zunehmender Zinngehalt mit der Erhöhung des TBT-Precursorflusses
Zusätzlich wurden UV/VIS-Spektren der Schichten auf Glassubstraten in Transmission aufgenommen, welche in
Beispiel III: TiOx-PlasmaschichtenExample III: TiO x plasma layers
In den im Beispiel I beschriebenen Versuchen zeigten vor allem die siliciumfreien TiOx-BeSchichtungen hervorragende photokatalytische Eigenschaften. Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass diese sehr gute photokatalytische Aktivität ohne ein Beheizen des Substrates (Substrattemperatur 18-25°C) und ohne eine thermische Nachbehandung erzielbar ist, in Verbindung mit einer guten Transparenz der Schichten. Es erfolgt lediglich ein geringer Temperatureintrag über die Plasmaenergie in das Substratmaterial, sodass auch eine Beschichtung temperatursensibler Materialien (z. B. Kunststoffe, Fasern oder Textilien) möglich wird.In the experiments described in Example I above all the silicon-free TiO x -BeSchichtungen showed excellent photocatalytic properties. Surprisingly, it was found that this very good photocatalytic activity without heating the substrate (substrate temperature 18-25 ° C) and without a thermal aftertreatment can be achieved, in conjunction with a good transparency of the layers. There is only a small input of temperature via the plasma energy into the substrate material, so that it is also possible to coat temperature-sensitive materials (eg plastics, fibers or textiles).
Im folgenden Abschnitt soll deshalb noch einmal näher auf die photokatalytischen Eigenschaften solcher Schichten in Abhängigkeit verschiedener Anlagenparameter eingegangen werden.In the following section, we will therefore examine in more detail the photocatalytic properties of such layers as a function of various system parameters.
Zur Abscheidung qualitativ hochwertiger Schichten war es vorteilhaft, die Precursoren möglichst substratnah einzudosieren (unter Verwendung des beschriebenen Aufsatzes
Es wurden TiOx-Schichten mit den in Tabelle 2 angegebenen Prozessparametern hergestellt.
Tabelle 2: Prozessparameter Titanoxid: Vergleich Plasmaleistung
Mittels rasterelektronenmikroskopischer Untersuchungen an Bruchkanten der abgeschiedenen Schichten wurde speziell der Einfluss der Plasmaleistung auf die Schichteigenschaften untersucht. Dabei ergab sich, dass niedrige Leistungen generell zu glatten und homogenen Schichten führen. Der Einsatz hoher Leistungen führt im Vergleich dazu zu raueren Schichten und gröberen Partikeln auf der Oberfläche, aber dennoch zu einem homogenen Beschichtungsbild. Der Einsatz der niedrigeren Leistung führte allerdings zur Bildung wenig stabiler Beschichtungen, wodurch nach 1000 Waschzyklen (Washability Test, nach ASTM D2486) keine Beschichtung auf der Substratoberfläche mehr nachweisbar war. Eine photokatalytische Aktivität der bei 300 W Leistung hergestellten Schicht war zudem nicht nachweisbar bzw. nicht vorhanden. Die bei 600 W abgeschiedenen Schichten hingegen zeigten lediglich einen relativen Schichtdickenverlust von ~25% nach 1000 Zyklen, was auf die Entfernung von losen Partikeln auf der Oberfläche zurückzuführen sein kann. Weiterhin konnten sehr gute photokatalytische Eigenschaften nachgewiesen werden, welche mit der photokatalytischen Wirkung des Pilkington Activ® vergleichbar und zum Teil besser sind (Ergebnisse in nachfolgenden Abschnitten dargestellt). Demzufolge wurden nachfolgende Untersuchungen bei Plasmaleistungen von 600 W durchgeführt.By means of scanning electron microscopic investigations on fracture edges of the deposited layers, the influence of the plasma power on the layer properties was investigated. It was found that low power generally leads to smooth and homogeneous layers. The use of high power leads in comparison to rougher layers and coarser particles on the surface, but nevertheless to a homogeneous coating image. However, the use of lower power led to the formation less stable coatings, which after 1000 wash cycles (Washability Test, according to ASTM D2486) no coating on the substrate surface was more detectable. In addition, a photocatalytic activity of the layer produced at 300 W power was undetectable or absent. By contrast, the layers deposited at 600 W only showed a relative layer thickness loss of ~ 25% after 1000 cycles, which may be due to the removal of loose particles on the surface. Furthermore, very good photocatalytic properties could be detected, which are comparable and in some cases better with the photocatalytic effect of the Pilkington Activ ® (results shown in the following sections). As a result, subsequent tests were performed on plasma powers of 600W.
In weiteren Untersuchungen wurde der Einfluss des Abstandes
Es wurden rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen an Bruchkanten der abgeschiedenen TiOx-Beschichtungen durchgeführt, welche mit Konzentrationen von 50, 25 und 12,5 % und Abständen
Die UV-Vis Transmissionsspektren werden beispielhaft für Schichten in
Aus [Hong, Yong Cheol, et al. „Band gap narrowing of TiO2 by nitrogen doping in atmospheric microwave plasma.“ Chemical Physics Letters 413.4 (2005): 454-457.] ist bekannt, dass es durch den Einsatz von stickstoffhaltigen Plasmen möglich ist, TiOx-Schichten mit Stickstoff zu dotieren. In dieser Publikation konnten so mittels Sol-Gel-Prozess hergestellte Schichten über eine Plasmaentladung im Niederdruck dotiert werden. Derartige Dotierungen können den Vorteil haben, dass photokatalytische Effekte auch oder zusätzlich durch die Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert werden, was die Effektivität der Beschichtung steigern kannFrom [Hong, Yong Cheol, et al. "Band gap narrowing of TiO2 by doping nitrogen in atmospheric microwave plasma." Chemical Physics Letters 413.4 (2005). 454-457] is known that it is possible through the use of nitrogen-containing plasmas, TiO x layers with nitrogen to dope. In this publication, layers produced by means of a sol-gel process could be doped using a plasma discharge in low pressure. Such dopants can have the advantage that photocatalytic effects are also or additionally initiated by the irradiation with visible light, which can increase the effectiveness of the coating
An dieser Stelle sollen ausgewählte Untersuchungen der photokatalytischen Aktivität der Beschichtungen gezeigt werden. In einem Beispiel soll der Einfluss einer Stickstoffplasma-Nachaktivierung im Vergleich zu nicht nachaktivierten Beschichtungen gezeigt werden (
Beispiel IV: SiOx-BeschichtungenExample IV: SiO x Coatings
Neben titanhaltigen Precursoren wurden die siliciumorganischen Precursoren HMDSO (eindosiert über eine Verdampfereinheit, beispielsweise der STS 10.0 - Sura Instruments GmbH) und TEOS (eindosiert über das Aerosol Dosiersystem aus
Es können je nach Dosierrate und Durchlaufanzahl unterschiedlich dicke Schichten realisiert werden. Generell steigt mit der Dosierrate, der Anzahl
Es ist zu erwarten, dass mit diesem entwickelten Aufsatz eine Vielzahl zusätzlicher Schichten, Schichtstöchiometrien und/oder Funktionalitäten erzielt werden können:
- - Einsatz temperatursensibler Precursoren, die durch die Variation der Interaktionszeit im Plasma besser verarbeitet werden können (z. B. für Polymerschichten, Polymer-Mischschichten, DLC-Schichten, hydrophobe Schichten und weitere kohlenstoffbasierte Schichtsysteme)
- - Erzeugung weiterer Metall- und/oder Halbleiter- und/oder Nichtmetallbasierter Oxidschichten auf Basis von z. B. Si, Ti, Sn, Zn, Al, Zr, W, Li, Na, Mg, Co, Mn, In, Sb, Ce, Y, Fe, Ni, V, Mo, Nb, Te, Cu, Ba, Ca, P, S, C, N, F;
- - Erzeugung von Metalloxid-Mischschichten und/oder Metalloxid/Halbleiteroxid-Mischschichten und/oder Metalloxid/Nichtmetalloxid-Mischschichten und/oder Halbleiteroxid/Nichtmetalloxid-Mischschichten, bspw. SiOx / TiOx, SiOx / SnOx, YIG (yttrium iron garnet), YAG (yttrium aluminium garnet), LiCoO2, LiFePO4 oder weitere Mischungen der obengenannten Elemente
- - Realisierung von Metalloxid/Polymer-Mischschichten, Halbleiteroxid/Polymer-Mischschichten und Kompositschichten, bestehend aus einer Matrixschicht, die mit Partikeln (z. B. antimikrobielle Wirkstoffe, Farbstoffe, hydrophobe Substanzen, Polymere, Flammschutzmedien, UV-Schutzmedien, photokatalytische oder magnetische Partikel, Kohlenstoffnanoröhren, Nanopartikel wie Quantum Dots, Carbon Dots, Graphen) beladen ist
- - Erzeugung von Hartstoffschichten wie Nitride oder Carbide
- - Phosphatschichten (wie z. B. Magnesiumphosphat, Zinkphosphat, Eisenphosphat) als Korrosionsschutzschichten oder direkte Konversionsschichten an metallischen Bauteiloberflächen bei Verwendung von Phosphorsäure oder Triethylphosphat.
- Use of temperature-sensitive precursors, which can be better processed by varying the interaction time in the plasma (for example for polymer layers, polymer mixed layers, DLC layers, hydrophobic layers and other carbon-based layer systems)
- - Production of other metal and / or semiconductor and / or non-metal-based oxide layers based on z. B. Si, Ti, Sn, Zn, Al, Zr, W, Li, Na, Mg, Co, Mn, In, Sb, Ce, Y, Fe, Ni, V, Mo, Nb, Te, Cu, Ba, Ca, P, S, C, N, F;
- Production of metal oxide mixed layers and / or metal oxide / semiconductor oxide mixed layers and / or metal oxide / non-metal oxide mixed layers and / or semiconductor oxide / non-metal oxide mixed layers, for example SiO x / TiO x , SiO x / SnO x , YIG (yttrium iron garnet ), YAG (yttrium aluminum garnet), LiCoO 2 , LiFePO 4 or other mixtures of the above elements
- Realization of metal oxide / polymer mixed layers, semiconductor oxide / polymer mixed layers and composite layers, consisting of a matrix layer with particles (eg antimicrobial agents, dyes, hydrophobic substances, polymers, flame retardants, UV protection media, photocatalytic or magnetic particles , Carbon nanotubes, nanoparticles such as quantum dots, carbon dots, graphene)
- - Production of hard coatings such as nitrides or carbides
- - Phosphate layers (such as magnesium phosphate, zinc phosphate, iron phosphate) as corrosion protection layers or direct conversion layers on metallic component surfaces using phosphoric acid or triethyl phosphate.
Mit dem Aufsatz
- o Durch Variation der Precursorkonzentration, Flussraten, Verhältnisse lassen sich die Metalloxid-Konzentrationen in den Schichten (z. B. Si-Ox, TiOx, SnOx)
von 0% bis 100% einstellen. o Der Aufsatz 1 für Plasmasysteme erlaubt die gleichzeitige Eindosierung von mehreren Precursoren (gasförmig, flüssig -> Aerosole, Feststoffe - in Flüssigkeiten dispergiert und Pulver -> ebenso Aerosole), auch an unterschiedlichen Punkten im Plasma oder in der Nähe, durch Variation des Abstandesb für jede Düse5 . Weiterhin ist es denkbar, die Presursoren auch außermittig zum Plasmastrahl einzudosieren als zusätzliche Einstellgröße.- o Dadurch ist eine gezielte Einstellung der Plasma-Precursor Interaktionszeit für jede Precursorsubstanz gegeben für eine optimale Umsetzung und daraus resultierenden Schichteigenschaften.
- By varying the precursor concentration, flow rates, ratios, the metal oxide concentrations in the layers (eg Si-O x , TiO x , SnO x ) can be adjusted from 0% to 100%.
- o The
essay 1 for plasma systems allows the simultaneous metering of several precursors (gaseous, liquid -> aerosols, solids - dispersed in liquids and powder -> aerosols also), even at different points in the plasma or in the vicinity, by varying the distanceb for eachnozzle 5 , Furthermore, it is conceivable to dose the presursors off-center to the plasma jet as an additional adjustment variable. - This provides a targeted adjustment of the plasma precursor interaction time for each precursor substance for optimum conversion and resulting layer properties.
Im Falle von siliciumfreien TiOx-Plasmaschichten (100% TiOx und 0% SiOx) abgeschieden mit dem Aufsatz
- o kein zusätzliches Temperieren der Substrate notwendig → Substrattemperaturen 18 °
C bis 25 °C) - o Es erfolgt lediglich ein geringer Temperatureintrag über die Plasmaenergie in das Substratmaterial, so dass auch eine Beschichtung temperatursensibler Materialien (z. B. Kunststoffe, Fasern oder Textilien) möglich wird.
- o Das Einbringen des titanhaltigen Precursors TIPO als Aerosol in das Plasma ist ohne Heizen der Aerosoldosiereinheit und Schläuchen möglich. Daraus ergibt sich ein hohes Anwendungspotential und gute Wirtschaftlichkeit für den gesamten Beschichtungsprozess.
- o Eine Dotierung der Schichten durch Plasmanachaktivierung ist möglich (z. B. Stickstoffdotierung bei Verwendung folgender Arbeitsgase oder - gasgemische: N2, Ar/N2, He/N2, N2/H2, N2/NH3) oder Kohlenstoffdotierung bei Verwendung von CO2, Ar/CO2, Ar/C3H8, Ar/C2H2).
- o no additional tempering of the substrates necessary → substrate temperatures 18 ° C to 25 ° C)
- o Only a small input of temperature via the plasma energy into the substrate material takes place, so that it is also possible to coat temperature-sensitive materials (eg plastics, fibers or textiles).
- o The introduction of the titanium-containing precursor TIPO as an aerosol into the plasma is possible without heating the aerosol dosing unit and hoses. This results in a high application potential and good economy for the entire coating process.
- A doping of the layers by plasma post-activation is possible (eg nitrogen doping using the following working gases or gas mixtures: N 2 , Ar / N 2 , He / N 2 , N 2 / H 2 , N 2 / NH 3 ) or carbon doping when using CO 2 , Ar / CO 2 , Ar / C 3 H 8 , Ar / C 2 H 2 ).
Im Falle von titanfreien SiOx-Plasmaschichten (100% SiOx und 0 % TiOx) abgeschieden mit dem Aufsatz
Das Plasma-Jet-System verwendet bevorzugt Luft oder Stickstoff als Arbeitsgas, kann aber auch mit Edelgasen (z. B. Argon, Helium), wasserstoffhaltigen Gasen oder anderen Gasgemischen betrieben werden.The plasma jet system preferably uses air or nitrogen as the working gas, but can also be operated with noble gases (eg argon, helium), hydrogen-containing gases or other gas mixtures.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Aufsatzessay
- 22
- Plasmaquelleplasma source
- 33
- Schelleclamp
- 44
- Substratsubstratum
- 55
- Düsejet
- 66
- Armpoor
- aa
- Abstanddistance
- AA
- Absorptionsvermögenabsorbance
- bb
- Abstanddistance
- dd
- Schichtdickelayer thickness
- DLDL
- Anzahl DurchläufeNumber of passes
- Δd.DELTA.d
- SchichtdickenverlustLayer thickness loss
- Ee
- Elementkonzentrationelement concentration
- Eg E g
- Bandlückebandgap
- FF
- Bandenflächeband surface
- kk
- Wellenzahlwavenumber
- K0K0
- KurveCurve
- K1K1
- KurveCurve
- K2K2
- KurveCurve
- K3K3
- KurveCurve
- K4K4
- KurveCurve
- λλ
- Wellenlängewavelength
- nn
- Brechungsindexrefractive index
- PP
- Precursorfluss precursor flow
- P1P1
- Probesample
- P2P2
- Probesample
- P3P3
- Probesample
- P4P4
- Probesample
- RefRef
- unbeschichtete Glasprobeuncoated glass sample
- SASA
- KurveCurve
- S0S0
- Schichtlayer
- S1S1
- Schichtlayer
- S2S2
- Schichtlayer
- S3S3
- Schichtlayer
- S4S4
- Schichtlayer
- tt
- Bestrahlungszeitexposure time
- TT
- Transmissiontransmission
- ωω
- Winkelangle
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