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Beschichtungstechnik (Fach) / Prüfungsvorbereitung (Lektion)

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• Schreiben Sie vier mögliche Dünnschicht-Anwendungen auf, die Ihnen aus dem täglichen Gebrauch bekannt sind. Welche Funktion muss die Dünnschicht dabei erfüllen? Tabelle
• Wann ist eine Schicht dünn? Dünne Schicht = Haut des Körpers DS = FK, welcher in zwei Dimensionen beliebig ausgedehnt und in einer Dimension dünn ist (Schichtdicke ~ λ) dünn ist immer von der Anwendung abhängig --> Es treten Abweichungen der Eigenschaften zum kompakten Material auf.
• Nennen Sie die Phasen der Schichtbildung! Quelle: Erzeugung der Beschichtungsspezies Transport der Teilchen von der Quelle zum Substrat Schichtbildung: Absorption der Teilchen am Substrat und Schichtwachstum
• Was ist PVD, CVD? PVD (Physical Vapour Deposition), dt. physikalische Abscheidung aus der Dampfphase Dampf wird physikalisch erzeugt (Wärme, Impuls, …) Verfahren: Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattieren CVD (Chemical Vapour Deposition), dt. chemische Abscheidung aus der Dampfphase Dampf wird chemisch erzeugt Verfahren: thermisches CVD, plasmaaktiviertes CVD, photonenaktiviertes CVD
• Was ist ein Vakuum? Was sind die erlaubten Einheiten (Druck) des Vakuums und wie wird es eingeteilt? Als Vakuum bezeichnet man einen Druck, der kleiner als der Umgebungsdruck ist.Das Vakuum wird folgend eingeteilt: Grobvakuum (1000 mbar bis 1 mbar) Feinvakuum (1 mbar bis 10^3 mbar) Hochvakuum (10^-3 mbar bis 10^-7 mbar) Ultrahochvakuum (<10^-7 mbar) verwendete Einheiten: N/m2, Pa, bar 1 N/m2 = 1 Pa; 1 bar = 10^5 Pa
• Wie viel Meter sind ein Millimeter? 1m = 0,001 mm
• Warum ist DS ≠ Bulk? OF-Volumen Verhältnis ändert sich (wird größer) DS hat andere Mikrostruktur als kompakter Körper
• Was ist ein Plasma? = Aggregatzustand der Materie, Teilchen sind ionisiert Plasma ist ein Gas, das neben neutralen Atomen so viele freie Elektronen (-) und Ionen (+) enthält, dass es el. Leitfähig ist Gase werden el. Leitfähig, wenn sie ionisiert sind Herstellung: mittels Ionisation (Wärme, e-Beschuss, Ionenbeschuss) Wozu: als Arbeitsmittel und Stoffwandler
• Was ist eine Glimm-Entladung? Eine el. Gasentladung, die bei kleinen Drücken selbstständig brennt.
• Was ist PVD und welche Verfahren gibt es (Skizzieren sie eine Anfangsanlage)? PVD (Physical Vapour Deposition), dt. physikalische Abscheidung aus der Dampfphase Dampf wird physikalisch erzeugt (Wärme, Impuls, …) Verfahren: Aufdampfen, Sputtern, Ionenplattieren SKIZZE
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• Welche Eigenschaften muss eine Entspiegelungsschicht haben? Transparenz Dicke = λ/4 Brechwert muss zwischen Luft und opt. Medium liegen
• Was ist Aufdampfen und erklären sie „aktives Aufdampfen“? PVD-Verfahren aufzubringendes Material über Widerstandsheizung erhitzt im Hochvakuum Verdampfungsmaterial geht in gasförmigen Zustand über aufgrund Vakuum --> mittlere freie Weglänge beträgt einige Meter Verdampfungsmaterial lagert sich an Substrat an
• Wie lautet die Funktion für die mittlere freie Weglänge? Ist die durchschnittliche Weglänge, die ein Teilchen zurücklegen kann, ohne mit einem anderen Teilchen zusammenzustoßen (Formel?)
• Wozu braucht man DS in der Optik? Entspiegelung Verspiegelung Filter Strahlteiler Polarisation
• Nenne Sie die drei wichtigsten Gruppen des Beschichtungsverfahren PVD / CVD! PVD: Aufdampfen Sputtern Ionenplattieren CVD: Thermisch aktiviert Plasma aktiviert Photonen aktiviert
• Was ist Sputtern? (Skizze) dt. Kathodenzerstäubung Herstellung dünner Funktionsschichten Einfachste Variante → DC-Sputtern , Verwendung von Gleichspannungsladungen In Vakuunkammer Quelle = target, negativ geladen → Kathode (hier soll abgetragen werden) Zu beschichtende Substrate → Anode In Rezipient wird inertes (Argon) oder reaktives (Sauerstoff) Gas eingelassen Entstehen eines kalten oder nichtthermischen Plasmas Plasma ist gut el. leitfähig Elektron trifft auf Prozessgas → schlägt aus diesem ein Elektron aus Diese werden beschleunigt und schlagen Atome aus target aus Diese bilden eine Schicht am Substrat
• Was sind die Nachteile des Sputterns (dc – Sputtern)? Target muss el. leitfähig sein Nur el. leitfähige Materialien sind verdampfbar
• Kann man das Schichtwachstum beeinflussen? Ja, durch den Restgasdruck, Substrattemp., Aufdampfrate, usw.
• Ist die Schichtdicke wichtig? Ja, die physikalischen Eigenschaften einer dünnen Schicht hängen stark von dicke ab.
• Wie wird die Schichtdicke unterschieden? Geometrische Dicke d: Dicke gemessen in einer Längeneinheit [nm, μm, …] Optische Dicke: geometrische Dicke * Brechungsindex (d*n) [nm, μm, …]; Bsp: d = 100nm; n = 1,38 ⇒ n * d = 138nm Massendicke: Masse / Fläche [μg/cm²]
• Was ist wägen? Messmethode, die auf der Bestimmung der Masse beruht d = m / ρ * A m: Masse; ρ: Dichte; A: Fläche Nachteil: Dichte kann unter Umständen nicht genau bekannt sein, sowie Kondensation von Wasserdampf aus der Luft muss berücksichtigt werden Kalibrierung notwendig, da die Dichte der Beschichtung wesentlich von der des Bulk-Materials abweichen kann
• Wie funktioniert die Schwingquarzmethode und wofür wird sie angewendet? Skizze! In-situ-Messung Beim Anlegen einer Spannung deformiert sich der Kristall ⇒ Elektrostriktion ⇒ Quarz schwingt Setzt der Bedampfungsprozess ein, wird auch der Schwingquarzbedampft ⇒ Masseänderung ⇒ Frequenzänderung des Quarz FResonanz hängt stark von der Temperatur ab ⇒ Quarz muss temperiert werden 𝑅=Δ𝑓* 𝑑/𝑑𝑡* d – Schichtdicke [nm]; R – Aufdampfrate [nm/s] Nachteil: Schwingquarz und Substrat werden unterschiedlich beschichtet  Kalibrierung erforderlich
• Durch welche äußeren Einwirkungen kann ein Gas in ein Plasma verwandelt werden? Wie kann man ein Gas ionisieren? Wärme Röntgenstrahlung Radioaktive Strahlung Elektronenbeschus Ionenbeschuss
• Wozu sind Plasmen bei der Beschichtung wichtig? Verwendung als Arbeitsmittel und Stoffwandler
• Was sind die drei Phasen des Schichtwachstums? Was ist ein SZM (Strukurzonenmodell)? Phasen: 1. Keimbildung2. Koaleszenz3. Dickenwachstum SZM: Darstellung der Schichtmikrostruktur in Abhängigkeit vom Verhältnis 𝑇𝑠 / 𝑇𝑚 = 𝑆𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟 / 𝑆𝑐ℎ𝑚𝑒𝑙𝑧𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟
• Skizzieren Sie eine Aufdampfanlage! Benennen Sie die wichtigsten Teile und erklären Sie, wie eine dünne Schicht entsteht! SKIZZE
• Skizzieren Sie eine Sputteranlage! Benennen Sie die wichtigsten Teile und erklären Sie, wie eine dünne Schicht entsteht! Skizze
• Warum ist der spezifische Widerstand einer Schicht immer größer als der des kompakten Materials? Skizze! Die Beweglichkeit der Elektronen wird in einer dünnen Schicht behindert wegen: 1. Schichtdicke ⇒ freie Weglänge der Elektronen ist rund 50nm bei Raumtemp.; Dicke der Schicht < als freie Weglänge2. Mikrostruktur ⇒ Elektronen werden an Korngrenzen gestreut ,dadurch wird ihr Weg behindert
• Alle Schichten befinden sich mehr oder weniger im Zustand mechanischer Spannungen (Stress). Aus welchen 2 Anteilen setzen sich diese zusammen? σ = σT + σi ⇒ mech. Spannungen = therm. Spannungen + intrinsische Spannungen σT ⇒ Ursache sind unterschiedliche therm. Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat σi ⇒ Ursache in der Mikrostruktur, hängt von den Beschichtungsparametern ab. Es gibt Zug- und Druckspannungen.
• Welche Metallschichten eignen sich besonders gut als Spiegel für den UV- VIS- und IR-Bereich? VIS: Ag, Al IR: Au UV: Al
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• Wie kann man mit einer niedrigbrechenden Schicht die Reflexion ausschalten? Rechnung + Skizze! Rechnung + Skizze!
• Wie kann man eine Oberfläche besser als mit einer Einfachschicht entspiegeln? Verwenden von mehreren Schichten. Die letzte Schicht, die zur Luft zeigt, muss niedrigbrechend sein.
• Was bewirkt schiefer Lichteinfall? spektrale Verschiebung zu kurzer Wellenlänge
• Nennen Sie eine dielektrische Schichtfolge, mit der eine Oberfläche verspiegelt werden kann? Air [HLHL…]S H – hochbrechende λ / 4 - Schicht; L - niedrigbrechende λ / 4 – Schicht
• Beschreiben Sie den prinzipiellen Aufbau einer Beschichtung eines Kunststoffbrillenglases! Kunststoffbrillenglas rund 3μm Hartschicht rund 250nm AR- Schichtsystem rund 1nm hydrophobes Top – coat bei AR-Hart werden Entspiegelungsschichten in Hartschicht eingelagert
• Was passiert, wenn eine Silberschicht aufgedampft wird? Wie ändern sich mit zunehmender Dicke der Schicht die Eigenschaften der Schicht? Keimbildung: Bildung von Ag – Inseln, in denen die Elektronen eingesperrt sind (nicht frei) bei bestimmter Wellenlänge schwingen alle Elektronen in Phase (Plasmonen) Absorption durch selektive Absorber Koaleszenz: gerade geschlossene Schicht (noch transparent) transparent im VIS, reflektierend durch freie Elektronen im IR (Wärmeschutzschicht im Architekturglas) dicke Schicht: Spiegel, besonders im VIS
• Wie kann mit einer Beschichtung Energie gespart werden? Nachtragen

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