Ziel der Entwicklung

Die Abscheidung dünner Schichten unter Atmosphärendruckbedingungen mittels flammenpyrolytischer Prozesse (CCVD) ist ein etabliertes Verfahren, um kostengünstig Oberflächen für verschiedenartige Funktionalitäten zu modifizieren. Dafür werden üblicherweise Brenner eingesetzt, die mit Erdgas (Methan) oder Propan und Luft betrieben werden. Die Verbrennung erfolgt in einem annähernd stöchiometrischen Verhältnis von Brenngas und dem in der Luft enthaltenem Sauerstoff. Der Ballast an unverbrennbarem Stickstoff führt jedoch dazu, dass die Flammentemperaturen bei maximal 1.600 °C liegen und die Flammenaustrittsgeschwindigkeiten niedrig sind.
Allerdings existieren seit längerem Verfahren zur Behandlung von Glasoberflächen mittels Flammen, insbesondere zur Flammenpolitur. Dabei werden die Glasoberflächen angeschmolzen und geglättet. Um Glas nur oberflächennah über den erforderlichen Transformationspunkt (Tg) zu erhitzen, reichen die mit Luft versorgten Flammen aufgrund des zu geringen Wärmetransports in der Regel nicht aus. Daher werden hier die Brenner mit zusätzlichem bis zu reinem Sauerstoff versorgt oder Brenngase mit höherem Heizwert (z. B. Wasserstoff) eingesetzt (z. B. CARBOPOX- oder HYDROPOX-Verfahren der Fa. Linde Gas AG).
Marktbedarf besteht auf mehreren Gebieten, wie sich u.a. durch Anfragen aus den Industriebranchen und vorangegangene Machbarkeitsuntersuchungen mit der Standard-CCVD gezeigt hat. Insbesondere im Bereich Glaserzeugung und -verarbeitung wird nach Lösungen gesucht, Glasoberflächen einfach und kostengünstig zu veredeln, d. h., gezielt mit ganz bestimmten Oberflächeneigenschaften auszustatten. Einen großen Problemkreis bildet hierbei der Schutz vor Glaskorrosion, der Behälterglashersteller ebenso betrifft wie die Erzeuger von Flachglasprodukten.
Die Übertragung des Konzepts aus der herkömmlichen Flammenpyrolyse zur Umsetzung chemischer Vorläufersubstanzen (Precursoren) auf die deutlich heißeren Flammen würde folgende Vorteile bringen:
• höhere Reaktivität der Flammen aufgrund der höheren Temperaturen und Sauerstoffkonzentration, das eröffnet mehr Variabilität in der Precursorauswahl, da auch komplexere Verbindungen oder Molekülcluster umgesetzt werden können
• höhere Konzentration aktiver Sauerstoffradikale führt zu veränderten Umsetzungsreaktionen in der Flamme, was auf die Schichtbildung Einfluss haben kann
• höhere Flammenaustrittsgeschwindigkeit, damit höherer Precursordurchsatz und Abscheideraten möglich
• hoher Wärmetransport an die Substratoberflächen, damit völlig andere Abscheidebedingungen als bei den kälteren luftbetriebenen Flammen (z. B. Sintereffekte, Kristallisation).

Vorteile und Lösungen

Durch die Verwendung von Propangas-Sauerstoff-Brennern (Propan/Sauerstoff-Verhältnis 5 l/min zu 60 l/min) werden bei den verwendeten Brennern der Fa. Rudoba (Brennertypen B und HLB) Flammtemperaturen von bis zu 1700 °C erreicht. Selbst in einem Abstand von zehn Zentimetern liegen die durch die heiße Flamme bedingten Temperaturen noch bei rund 1000 °C. In der Folge erscheint daher bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 50 mm/s eine Substrattemperatur ab 500 °C als optimal. Bei unzureichender Vorerwärmung insbesondere von Floatglas als Substrat kommt es zu thermisch induziertem Bruch des Glases.
Der Einfluss einer heißen Flamme auf die Rauheit von Floatglasoberflächen ist abhängig vom verwendeten Brennertyp. Für den Brennertyp B gilt: Bei dem geringeren Brennerabstand von 20 mm tritt nach vier Überfahrten eine Einebnung der Oberfläche auf, für den größeren Abstand ist keine Einebnung zu erkennen. Für den Brennertyp HLB gilt: Hier ist nur bei dem größeren Brennerabstand von 40 mm eine Einebnung der Oberfläche zu erkennen, die mit zunehmender Anzahl der Durchläufe (größer werdendem Energieeintrag) stetig zunimmt. Im Gegensatz dazu wirkt sich ein zu geringer Brennerabstand deutlich negativ auf die Rauheit aus, die Oberflächenrauheit steigt in diesem Fall signifikant mit zunehmender Anzahl der Durchläufe. Damit sind beide untersuchten Brennertypen geeignet, Floatglasoberflächen unter Verwendung einer Sauerstoff-Propan-Flamme einzuebnen, mit jeweils spezifischen Verfahrensparametern. Aus Krümmungsuntersuchungen kann geschlossen werden, dass sich das behandelte Floatglas unter dem Temperatureinfluss nicht nur oberflächlich verformt (Rauheit, Welligkeit), sondern auch als bulk-Material über 4 mm Dicke.
Mittels XPS konnte gezeigt werden, dass bei der Behandlung von Floatglasoberflächen Natrium aus der Oberfläche heraus diffundiert.
Mittels OES konnte gezeigt werden, dass spezifische Elemente zugeführter Precursoren (Si vom HMDSO, Zr vom ZrAcAc) in der Flamme nicht ionisiert vorliegen.
Mit Blick auf die flammenpyrolytische SiOx-Schichtabscheidung unter Verwendung von HMDSO als Precursor (TOPAS-Zerstäuber) ist zu erwähnen, dass sich geschlossene SiOx-Schichten herstellen lassen, in Abhängigkeit von den spezifischen Parametern mit Schichtbildungsraten von rund 20 – 35 Nanometern pro Anlagenlauf. Erfolgt die Abscheidung auf Floatglassubstraten, so sind diese abgeschiedenen SiOx-Schichten durch thermisch bedingte Diffusionsvorgänge in Abhängigkeit von der Brennerleistung Na-angereichert. Im Gegensatz dazu finden sich Ca und Mg nicht an der Schichtoberfläche.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Vorhaben hat die Entwicklung eines Verfahrens zur gezielten Modifikation und Funktionalisierung unterschiedlicher Substratoberflächen (Glas, Keramik, Metall) durch Steuerung der Temperatur und nanoskaliger Dotierung der Flamme zum Ziel. Obwohl die CCVD-Technologie vorwiegend bei der Abscheidung von SiOx Schichten bereits ein etabliertes Verfahren ist, findet das Verfahren bisher keine Anwendung unter Nutzung von Hochleistungsbrennern. Gerade in Industriezweigen, wo Hochleistungsbrenner bereits ohne Dotierung eingesetzt werden (Flammenpolitur von Wirtschaftsglas) oder bei denen im Produktionsprozess Herstellungsschritte mit sehr heißen Zwischenprodukten (Heißumformung) oder hitzebeständigen Produkten existieren, soll das neu entwickelte Verfahren etabliert werden.
• Glasindustrie, z.B. Flachglasveredelung und Ersatz für Heißendvergütung bei Behälterglas
• Metallverarbeitende Industrie, z.B. Korrosionsschutz, verbesserte Anbindung nachfolgender Schichten (Emaille)
• Keramikindustrie, z.B. Oberflächenveredlung und -funktionalisierung (Hydrophobierung)
Es ist geplant, die neuartige Beschichtungstechnik und die damit verbundenen Potenziale des CCVD-Verfahrens und dessen Abscheidung sollen im Anschluss an die erfolgreiche Entwicklung zusammen mit Partnern aus der Industrie bis zur Marktreife zu entwickeln. Weiterhin sollen die erhaltenen grundlegenden und allgemeingültigen Forschungsergebnisse zur Brenneranordnung, Precursoreindosierung, Schichtabscheidung und zu den Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten und deren gezielter Einstellung im Rahmen von Folgeprojekten an weitere potenzielle Anwendungsmöglichkeiten angepasst werden, wodurch die neuartige Beschichtungstechnik für einen noch wesentlich größeren Markt zugänglich gemacht werden kann.
Die Vermarktung und Verbreitung der Ergebnisse des Forschungsprojektes wird durch den direkten Kontakt mit potenziellen Anwendern, z.B. Brennerentwickler und Glashersteller bzw. -veredler, aber auch durch Einsatz von Prospekten und Messeauftritten erfolgen und dadurch national, wie international bekannt werden. Der Auftritt auf Fachtagungen zur Oberflächenbehandlung und in entsprechenden Fachzeitschriften wird den Effekt der Verbreitung der Technologien noch weiter verstärken.