Plasmagestützte Syntheseverfahren zur Erzeugung von Parylene-Metall-Multilayersystemen
Plasma-assisted synthesis methods for the generation of parylene-metal multilayer systems
by Mirco Weber
Date of Examination:2023-09-18
Date of issue:2023-10-27
Advisor:Prof. Dr. Dietmar Stalke
Referee:Prof. Dr. Dietmar Stalke
Referee:Prof. Dr. Wolfgang Viöl
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10165
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Abstract
English
This dissertation comprises the investigation of new synthesis possibilities of Parylene-metal multilayer systems with all process steps united in a single Parylene coating device. For this purpose, the metal layer component was synthesized by the application of a metal salt solution on a glass substrate and a subsequent plasma reduction with a low-pressure microwave plasma applied in the coating chamber. First, the used plasmas (Varigon and ambient air) were examined for their electronic excitation temperature and electron density by optical emission spectroscopy. For the low-pressure Varigon plasma an electronic excitation temperature of about 0.8 eV and a low electron density could be determined, whereas the investigation of the ambient air plasma was inconclusive. To estimate the redox effects of the microwave low-pressure plasma, an oxygen-containing air plasma was applied to copper and steel strips to determine the oxidation effect and a hydrogen-containing Varigon plasma was applied to copper nitrate as well as iron acetate patina layers to determine the reduction effect. While the low-pressure plasma induced significant oxidation and reduction effects on the copper samples, the oxidation state of the ferrous specimen could only be changed by the application of an atmospheric-pressure plasma jet treatment. In the next step, a method for the creation of metal salt films (Copper(II) chloride, Iron(III) chloride and Iron(II) sulfate) in nanometre thickness range was presented, which were subsequently treated with a microwave Varigon plasma under low-pressure conditions for reduction purposes. X-ray photoelectron spectroscopy analysis showed, that a reduction of copper(II) to copper(I) compounds within the copper salt layers as well as a reduction of iron(III) to iron(II) compounds within the iron salt layers took place with the help of an air plasma pre-treatment. For the next layer component, a reproducible parameter set was developed for the synthesis of the Parylene layers with a layer thickness of 5 µm. Here, the layer thickness was determined by white light reflectometry and ellipsometry. This enabled Parylene-metal multilayer systems to be synthesized, consisting of a glass substrate, a metal salt layer in the nanometre range and a Parylene layer of approximately 5 µm at the outside. The roughness analysis using atomic force microscopy revealed a roughness range between 4-12 nm for the metal salt layers and 20-38 nm for the Parylene layers. In addition, vertical peel tests were used to investigate the adhesion of the layers and contact angle measurements were used to investigate the wettability of the individual layer parts with and without exposure to Varigon plasma. However, no significant plasma adhesion improvement was observed. It was recognized that the wettability of the multilayer system is lower for polar liquids than for non-polar ones, since this is determined by the outermost layer component, the Parylene layer.
Keywords: Plasma; Parylene; Metal; Salt; Multilayer; Microwave
German
Diese Dissertation beinhaltet die Erforschung neuer Synthesemöglichkeiten von Parylene-Metall-Multilayersystemen mit allen Prozessschritten vereint in einer einzigen Parylenebeschichtungsanlage. Hierzu wurde die Metallschichtkomponente durch Aufbringen einer Metallsalzlösung auf ein Glassubtrat und anschließender Plasmareduktion mit einem in der Beschichtungskammer applizierten Niederdruck-Mikrowellenplasma erzeugt. Zunächst wurden jedoch die verwendeten Plasmen (Varigon und Umgebungsluft) auf ihre elektronische Anregungstemperatur und Elektronendichte mittels optischer Emissionspektroskopie untersucht. Bei dem Niederdruck-Varigonplasma konnte eine elektronische Anregungstemperatur von ca. 0.8 eV und eine geringe Elektronendichte ermittelt werden, wogegen die Untersuchung des Umgebungsluftplasmas ergebnislos verlief. Zur Einschätzung der Redoxwirkung des Mikrowellen-Niederdruckplasmas wurde auf Kupfer- und Stahlblechstreifen ein sauerstoffhaltiges Luftplasma zur Bestimmung der Oxidationswirkung und auf Kupfernitat- sowie Eisenacetatpatinaschichten ein wasserstoffhaltiges Varigonplasma zur Bestimmung der Reduktionswirkung angewandt. Während das Niederduckplasma deutliche Oxidations- und Reduktionseffekte auf den Kupferproben hervorrief, konnte der Oxidationszustand der eisenhaltigen Proben nur durch die Anwendung einer Atmosphärendruck-Plasmajetbehandlung verändert werden. Im nächsten Schritt konnte ein Verfahren zur Erzeugung von Metallsalzdünnschichten (Kupfer(II)-chlorid, Eisen(III)-chlorid und Eisen(II)-sulfat) im Nanometerbereich präsentiert werden, welche anschließend zu Reduktionszwecken mit einem Mikrowellen-Varigonplasma im Niederduck behandelt wurden. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Analyse ergab, dass innerhalb der Kupfersalzschichten eine Reduktion von Kupfer(II) zu Kupfer(I) und innerhalb der Eisensalzschichten eine Reduktion von Eisen(III) zu Eisen(II) unter Zuhilfenahme einer Luftplasma-Vorbehandlung stattfand. Als nächste Schichtkomponente wurde ein reproduzierbares Parameterset zur Synthese der Paryleneschichten mit einer Schichtdicke von 5 µm erarbeitet. Die Schichtdickenbestimmung erfolgte hierbei durch Weißlichtreflektometrie und Ellipsometrie. Dadurch konnten Parylene-Metallmultilayersysteme synthetisiert werden, welche aus einem Glassubstrat, einer Metallsalzschicht im Nanometerbereich und einer Paryleneschicht von ca. 5 µm bestanden. Eine Rauheitsanalyse mittels Rasterkraftmikrospie ergab, dass die Metallsalzschichten im Mittel eine Rauheit von ca. 4-12 nm und die Paryleneschichten 20-38 nm aufwiesen. Des Weiteren wurde über vertikale Abzugsversuche die Schichtadhäsion, sowie über Kontaktwinkelmessungen die Benetzbarkeit der einzelnen Teilschichten mit und ohne Varigonplasmaeinwirkung untersucht. Hierbei wurde jedoch kein signifikanter Plasmaeinfluss festgestellt. Es wurde erkannt, dass die Benetzbarkeit des Multilayersystems ist für polare Flüssigkeiten geringer als für unpolare, da diese durch die äußerste Schichtkomponente, der Paryleneschicht, bestimmt wird.
Schlagwörter: Plasma; Parylene; Metall; Metallsalz; Multilayer; Mikrowelle
