Einleitung

Reaktive Plasmen sind ein wesentlicher Bestandteil der Plasmatechnik. In einem Niedertemperaturplasma wird ein Quellgas dissoziiert und ionisiert und die Reaktionsprodukte schlagen sich auf den umgebenden Oberflächen nieder. Damit lassen sich dünne Schichten mit einstellbaren Eigenschaften wie Stöchiometrie, Brechungsindex, Härte etc. herstellen. So entstehen aus dem Quellgas Silan durch Plasmaprozesse amorphe Silizumschichten und aus dem Quellgas Methan amorphe Kohlenstoffschichten.

Der wesentliche Vorteil des Einsatzes von Plasmaverfahren zur Materialsynthese ist die Tatsache, daß die Dissoziation des Quellgases schon in der Gasphase stattfindet und die zu beschichtende Oberfläche eines Werkstückes selber bei Raumtemperatur bleibt. Damit ist es möglich sogar Kunststoffe effektiv zu beschichten. Dies ist im Unterschied zur klassischen chemischen Synthese bei der die zu beschichtende Oberfläche in der Regel heiß sein muß, um über die thermische Anregung stabile Moleküle auf der Oberfläche zu dissoziieren.

Die Chemie reaktiver Plasmen ist allerdings sehr komplex, da eine Vielzahl von Reaktionen auftreten können und das System sich in der Regel nicht im Gleichgewicht befindet. Aus dem Quellgas werden eine Vielzahl unterschiedlicher Reaktivteilchen wie Radikale und Ionen gebildet, die alle zur Schichtbildung beitragen können. Die Identifizierung der wichtigsten Reaktivteilchen ist Gegenstand dieses Praktikumsversuchs und soll am Beispiel der Kohlenwasserstoffschichten illustriert werden.

Kohlenwasserstoffschichten sind eine der wichtigsten Vertreter plasma erzeugter dünner Filme. Legt man bei deren Herstellung eine zusätzliche negative Vorspannung an das Substrat an, so werden die positiven Ionen im Plasma zum Substrat hin beschleunigt. Durch dieses sogenannte Ionenbombardement werden sehr dichte Schichten gebildet. Diese zeichnen sich durch ihre außerordentliche Härte aus, was dem Material die Bezeichnung Diamant-artiger Kohlenstoff verliehen hat. Deponiert man diese Filme ohne zusätzliches Ionenbombardement so erhält man polymer-artige Filme.

Amorphe Kohlenstoffschichten finden gerade wegen ihrer Härte ein weites Anwendungsfeld. Ein prominentes Beispiel ist die Beschichtung von Bohrwerkzeugen, wie sie in Abb. 1 gezeigt ist. Durch diese Hartstoffbeschichtung läßt sich die Standzeit von Bohrern um den Faktor 10 erhöhen. Der Einsatz von Kohlenstoffschichten als Hartstoff ist auf Systeme beschränkt, die keine Carbide bilden. So ist es mit einem Kohlenstoff beschichteten Bohrer nicht möglich Stahl zu bohren, da sich dort FeC bildet, was zu einer Zerstörung der Beschichtung führt.

\begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics*[width = 6 cm]{bilder/drill.eps} \caption{Kohlenstoff beschichtete Bohrer haben eine Größenordnung längere Standzeit.} \label{fig:drill} \end{center} \end{figure}

Auch die neueste Rasierklingengeneration (Abb. \ref{fig:klingen}) profitiert von der Kohlenstoffbeschichtung. Die Klingen sind schärfer und haben eine größere Lebensdauer.

\begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics*[width = 4 cm]{bilder/rasierklingen.eps} \caption{Kohlenstoff beschichtete Rasierklingen sind schärfer und halten länger als nicht beschichtete Klingen.} \label{fig:klingen} \end{center} \end{figure}

Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld ist die Automobiltechnik. Die Ventilsitze und Ventilschäfte von Hochleistungsmotoren sind besonders starkem Verschleiß ausgesetzt. Durch eine entsprechende Beschichtung läßt sich dieser Verschleiß drastisch reduzieren. wie in Abb. \ref{fig:valve} gezeigt.

\begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics*[width = 6 cm]{bilder/valve1.eps} \includegraphics*[width = 4 cm]{bilder/valve2.eps} \caption{Kohlenstoffbeschichtung von Ventilsitzen und Ventilschäften.} \label{fig:valve} \end{center} \end{figure}

Auch in der Medizintechnik spielt Verschleiß bei Implantaten ein große Rolle. Künstliche Hüftgelenke werden zum Teil mit Kohlenstoff beschichtet, um ihre Standzeit zu erhöhen. Diese Beschichtung hat den weiteren Vorteil, daß sie die metallischen Werkstoffe vom Körper isoliert und damit ein Abstoßungsreaktion unterdrücken können (Abb. \ref{fig:hip}).

\begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics*[width = 6 cm]{bilder/hipjoints.eps} \caption{Der Verschleiß von künstlichen Hüftgelenken wird durch ein Beschichtung reduziert.} \label{fig:hip} \end{center} \end{figure}

Ein weiterer Massenmarkt ist die Vergütung von magnetischen Speichermedien. Damit ein Lesekopf in einer Computerfestplatte beim Landen auf der Platte nicht zu deren Zerstörung führt ist die Oberfläche vergütet. Hierbei ist eine besonders dünne geschlossene und glatte Schicht notwendig, da die Flughöhe von Leseköpfen in modernen Festplatten im Bereich von Nanometern liegt (Abb. \ref{fig:magnet}).

Trotz dieser herausragenden Bedeutung von kohlenstoffbasierten Filmen für zahlreiche Anwendungen, steckt die Aufklärung der Reaktionsmechanismen in diesen Plasmen erst noch in den Anfängen. Aus diesem Grund erfolgt die Optimierung der Plasmaprozesse bislang auf sehr empirischer Weise. Für eine zielgerichtetere Optimierung zukünftiger Prozesse wäre es aber hilfreich genauer Information über Reaktivteilchen und Wachstumsmechanismen zu gewinnen. Ein geignetes Hilfsmittel hierzu ist die Massenspektrometrie.

\begin{figure}[h] \begin{center} \includegraphics*[width = 5 cm]{bilder/magneticrecoding.eps} \caption{Festplatten.} \label{fig:magnet} \end{center} \end{figure}

Die Massenspektrometrie ermöglicht direkt den Nachweis von Neutral- oder Reaktiv-Teilchenflüssen auf Oberflächen. Im Unterschied zu anderen Nachweisverfahren wie der Laserspektroskopie ist sie nicht auf wenige Teilchenarten beschränkt, sondern erlaubt es Neutrale und Ionen in einem weiten Massenbereich zu erfassen. Dies ist insbesondere wichtig, da man nicht a priori den dominanten Reaktionspartner kennt.

Bei der Massenspektrometrie werden Atome und Moleküle ionisiert und nach ihrem Masse/Ladung-Verhältnis detektiert.