Was beim Beschichten von Oberflächen mittels Plasmen passiert

Viele Anwendungen ohne Plasmaprozesse unmöglich

Reflexionsarme Brillengläser, wärmeisolierende Fensterscheiben oder leistungsstarke Mikroprozessoren in mobilen Geräten sind nur drei Beispiele für Anwendungen, bei denen beschichtete Oberflächen für die Funktion entscheidend sind. „Funktionalisierte Dünnschichten, die mit der Plasmatechnik aufgetragen werden, beeinflussen gezielt Eigenschaften wie Lichtreflexion, elektrische Leitfähigkeit, Härte oder Elastizität“, sagt Jan Trieschmann, der seine Doktorarbeit am Lehrstuhl Theoretische Elektrotechnik anfertigte. „Ohne Plasmaprozesse wären viele moderne Applikationen gar nicht möglich“, ergänzt er.

Insbesondere die physikalische Gasphasenabscheidung wird häufig für das Aufbringen dünner Schichten verwendet. Dabei werden die zu beschichtenden Bauteile zusammen mit sogenannten Targets – häufig aus Metall – in eine Prozesskammer eingebracht. Bei starkem Unterdruck wird ein Plasma erzeugt, welches beim Kontakt mit der Targetoberfläche einzelne Atome aus dieser herausschlägt, sodass sie in die Gasphase gelangen. Das zerstäubte Metall bildet eine sehr dünne Schicht auf dem Werkstück.

Den Transport von Teilchen modellieren

Ziel von Trieschmanns Arbeit war es, den Transport der Teilchen durch die Gasphase mit theoretischen Berechnungen zu verstehen. Er entwickelte ein Computermodell, das vorhersagt, wie sich die Teilchen der beteiligten Atomsorten, beispielsweise Argon, Stickstoff, Aluminium, Titan oder Chrom, in der Prozesskammer ausbreiten.

Aufgrund des niedrigen Gasdrucks können die Prozesse nur mit besonders rechenintensiven Methoden zuverlässig theoretisch beschrieben werden. Trieschmann verwendete sogenannte Monte-Carlo-Methoden, mit denen er einzelne Teilchen verfolgte, deren Laufbahnen durch Stöße gestört werden. „Diese Stöße muss man sich ähnlich wie bei Billardkugeln vorstellen, die aufeinanderprallen. Sie werden durch Zufallszahlen festgelegt, deshalb der Name Monte Carlo“, erklärt er.

Vorschläge für die Praxis

Mithilfe der berechneten Vorhersagen ist es möglich, die Abscheideprozesse im Detail zu verstehen. Durch virtuelle Modellvariationen konnte Jan Trieschmann auch die Einflüsse bestimmter Stellgrößen wie Reaktorgeometrie oder zeitlich modulierte Plasmaanregung untersuchen und Vorschläge für Parameter ableiten, die in der Praxis zu optimalen Ergebnissen führen würden.