V2023 – Die Plasma- und Vakuum Community traf sich wieder in Dresden

Die Konferenz dokumentiert die Bedeutung dieser Querschnittstechnologien als wichtige Beiträge zur Lösung globaler Probleme wie nachhaltige Energie, Klima, Mobilität und Umweltschutz. Ergänzt wurde das Vortragsprogramm durch eine Posterschau. Die Konferenz wurde von einer Industrieausstellung begleitet, in der ca. 80 Firmen und Institutionen ihre Verfahren, Produkte und Dienstleistungen präsentierten. Soziale Events wie der Industrieabend und das Konferenzdinner rundeten das Programm ab.

Beteiligung war mit 460 Personen aus 25 Ländern sehr gut

Die Vorträge

Rund 80 Unternehmen zeigten ihre Innovationen auf der Industrieausstellung mit Blick auf die Elbe und die Elbmetropole Dresden„Plasma and Surface Technologies for Energy Applications and Sustainability” -Prof. Dr. Elizabeth von Hauff, Fraunhofer FEP, Dresden, leitete ihren Eröffnungsvortrag mit dem Statement ein, dass die Fraunhofer-Gesellschaft ihre Mission auch in der Entwicklung innovativer Lösungen für akute Probleme unserer Industriegesellschaft sieht; dies bezieht die Klimaveränderung und Maßnahmen zur Verringerung des menschlichen Einflusses auf diese mit ein. Das Fraunhofer-FEP hat langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Anwendung von Elektronenstrahl- und Plasmatechnologien und deren Transfer in industrielle Produkte. In ihrem Vortrag stellte von Hauff u. a. Ergebnisse aus den Gebieten Energiespeicherung und -umwandlung, nachhaltiges Packaging, Biomedical und Life Sciences, Mensch/Maschine Interface und Sensorik vor. Maßgeschneiderte Hardware Plattformen und Prozesse sollen die Abscheidung funktionaler und/oder kritischer Materialien auf vielfältigen Oberflächen einschließlich flexibler, steifer oder biologisch aktiver Substrate ermöglichen. Dies wurde am Beispiel der Plasmasynthese von Precursoren für die chemische Industrie gezeigt.

Schichten für Werkzeuge und Komponenten

Durch harte Schichten kann die Gebrauchslebensdauer von Werkzeugen und auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden. Superschmierende Schichten verringern Reibungsverluste, machen sie wirtschaftlich und umweltfreundlich. Innovative Oberflächen können auch zum Ersatz kritischer Materialien beitragen.

„The Influence of Pulse Parameters on Plasma Properties and Performance of HiPIMS Coatings for Cutting Tools“ war Thema des Vortrags von Dr. Stephan Bolz, CemeCon AG, Würselen. Hochfeste und leichte Werkstoffe gewinnen in der Luftfahrt- und Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung. Die Bearbeitung von Materialien wie rostfreie Stähle, gehärteter Stahl oder Titan- und Hochtemperaturlegierungen stellt hohe Anforderungen an Haftung, Härte, Oberflächenfinish und chemische Beständigkeit der Beschichtungen. Zunehmend kommen Hochleistungs-PVD Verfahren wie HIPIMS zum Einsatz. Mit ihnen kann eine sehr hohe Ionisation der Metallatome erreicht und so dichte, harte, gut haftende und dropletfreie Schichten erzeugt werden. Am Beispiel einer (Al,Ti,Si)N-Schicht wurde die Leistungsfähigkeit solcher Schichten demonstriert. Damit beschichtete Werkzeuge aus austenitischem Stahl zeigten beim Drehen eine deutlich verbesserte Leistung.

Auch der Vortrag „HIPIMS – Coating Technology for a New Product Generation of Tools and Components“ von Dr. Philipp Immich, IHI Hauzer Techno Coating B.V., Venlo, informierte über die vielseitig anwendbare Hochpulstechnologie. Solcherart beschichtete Werkzeuge können im Vergleich zu Sputter- oder Arc- Beschichtungen z. B. bessere Leistungen beim Fräsen oder der Umformung erreichen. Gleiches gilt auch für tribologische oder dekorative Anwendungen. IHI Hauzer liefert und betreibt dazu Anlagen im Industriemaßstab für unterschiedliche Anwendungen, Industriezweige und Produktgrößen. Sie sind für eine Serienfertigung geeignet und können in moderne Produktionsumgebungen integriert werden. Upscaling in unterschiedlich großen Anlagen ist möglich und es wird ein gutes Verhältnis von Kosten und Leistung erzielt.

„Modulus and Yield Strength Measurements of ultra-thin ALD-Coatings in a Thickness Range between 5 nm and 100 nm” – darüber informierte Dr. Thomas Chudoba, ASMEC GmbH, Dresden. Atomic Layer Deposition (ALD) ist eines der am besten geeigneten Verfahren um gleichmäßig dicke Schichten auf gekrümmten Oberflächen und in Löchern aufzubringen. Die mechanischen Eigenschaften von ALD-Schichten können aber mit konventionellen Nanoindentern nicht gemessen werden. Der Vortragende stellte ein Messverfahren vor, mit dem der Youngs-Modul und die Zugfestigkeit sehr dünner Schichten bestimmt werden kann. Es basiert auf voll elastischen Eindrücken mit einem sphärischen Indenter, wobei der Einfluss des Substrats komplett eliminiert wird. Die Methode wurde an Al2O3-Schichten mit Dicken von 5 – 100 Nanometern auf Si (100) Substraten erprobt. Sie kann für die anwendungsbezogene Messung und Optimierung extrem dünner Schichten verwendet werden, beispielsweise für eine Kombination von ALD- und Physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD)-Verfahren zur Beschichtung von Werkzeugen und Komponenten.

Schichten für die Energietechnologie

Europäische Fachleute arbeiten zielgerichtet an nachhaltigen Energietechnologien, um auf Veränderungen des Klimas und die geopolitische Lage reagieren zu können. Oberflächen- und Plasmatechnologien können dazu wichtige Beiträge liefern. Die Palette der Möglichkeiten reicht von Wasserstoff- und Batterietechnologien über plasmabasierte Synthese bis zur Photovoltaik. Zwei Beispiele sollen das demonstrieren.

„Roll-to-Roll ALD Coatings for Battery Cell Interfaces“ - Dr. Andrew Cook, Beneq Oy, Espoo, Finland, informierte darüber, wie sein Unternehmen die ALD-Technologie einsetzt, um extrem dünne Schichten zur Modifikation der Oberflächen (Grenzflächen) von Kathoden, Anoden oder Separatoren von Batteriezellen abzuscheiden. Atomic Layer Deposition (ALD) kann dazu beitragen, die thermische Beständigkeit zu erhöhen, SEI-Schichten zu stabilisieren, Dendriten zu unterdrücken, die Auflösung von Übergangsmetallen zu verhindern und den Kontakt zwischen den Schichten zu verbessern mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern. Der Vortragende stellte das R2R ALD System vor, das bei Beneq für die Großserienproduktion entwickelt wurde.

„Vacuum Coating for Lithium-ion Batteries: The Route to Commercial Production on the Example of Metal-Polymer Current Collectors“ – Dr. Markus Piwko, Von Ardenne GmbH, Dresden, informierte darüber, wie Vakuumverfahren zur weiteren Erhöhung der Leistung, Verkürzung der Ladezeit und Verbesserung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien beitragen können. Dafür müssen Technologien wie z. B. Vakuumverfahren in den Fertigungsablauf integriert werden. Dies wurde am Beispiel dünn metallbeschichteter Polymerfilme gezeigt, die als Ersatz für die bisher als Kollektoren (Stromsammler) üblichen dickeren Metallfolien eingesetzt werden können. Die neuen Kollektoren sollen das Durchgehen von Batteriezellen erschweren und so die Brandgefahr verringern. Sie schmelzen beim Erreichen einer kritischen Temperatur und unterbrechen den Stromfluss, wodurch Kurzschlüsse verhindert werden. Im BMBF Projekt PolySafe kooperiert Von Ardenne mit dem Fraunhofer FEP und Partnern auf diesem Gebiet. Dabei soll auch die erforderliche Anlagentechnik für die industrielle Anwendung bereitgestellt werden.

Schichten für die Optik und optische Komponenten

Kontakte und Networking: In den Pausen wurden Geschäfte angebahnt und Fachgespräche geführtBei praktisch allen optischen Komponenten sind eine Oberflächenbehandlung oder Schichtsysteme erforderlich, um optimale Leistungsfähigkeit zu erzielen. Häufig kommen Vakuum- und Plasmaprozesse zum Einsatz. Der Workshop analysierte verschiedene Vakuumbeschichtungsverfahren und deren Vor- und Nachteile und stellte auch aktuelle Anwendungen vor. Zum Thema „Antireflection Coatings for Objective Lenses with Requirements for Quantum Optical Experiments“ informierte Dr. Astrid Bingel, Fraunhofer IOF, Jena. Quantenoptische Experimente für zukünftige Quantencomputer erfordern Ultrahochvakuumbedingungen in Vakuumquarzzellen. Für die Experimente sind Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen und Lichteinfallswinkeln erforderlich. Durch Kombination von Nanostrukturen und dünnen Schichten können Objektive, die aus vielen Linsen bestehen, gefertigt werden. Lichtverluste durch unerwünschte Reflexion müssen unbedingt verhindert werden. Die Vortragende stellte die Anforderungen und auch erste Lösungsansätze für ein Objektiv vor. Quantumcomputer-Experimente sind geplant.

“Recent Results and Future Demands on Optical Coating Technology” – Dr. Michael Vergöhl, Fraunhofer IST, Braunschweig, sprach über Entwicklungen des Fraunhofer IST auf dem Gebiet von Beschichtungen für optische Komponenten und Systeme. Schwerpunkt der Verfahrenstechnik lag beim Magnetronsputtern, mit dem Beschichtungsprozesse höchster Präzision möglich sind. Als Beispiele zeigte der Vortragende die Beschichtung ge-
krümmter Oberflächen mit spezifischen Gradienten und von dünnen Substraten. Durch neue (zusätzliche) Sensoren und den Einsatz Künstlicher Intelligenz sind weitere Optimierungen beim Prozess- und Schichtmonitoring möglich. Ein Datenvergleich der existierenden und der neuen Sensoren erlaubt neue Einsichten in den Prozess. Konkret stellte Vergöhl neue Ansätze beim optischen Breitbandmonitoring vor wie die Realzeit-Ellipsometrie bei einem Drehcoater mit hoher Rotationsgeschwindigkeit.

Zum Thema „Ion Beam Figuring (IBF) as a Part Of An Optics Production Line“ berichtete Dr. Christian Schindler, Bühler Alzenau GmbH. IBF ist heute eine bewährte Technologie, um optische Oberflächen mit sehr niedrigem Formfehler (hoher Genauigkeit) zu realisieren. Sie bietet Vorteile im Vergleich zu traditionellen Polierverfahren wie einer magneto-rheologischen Bearbeitung. Es entstehen keine zusätzlichen Strukturen oder Rauheiten so dass ultraglatte Oberflächen z. B. für Laseranwendungen erzeugt werden können. IBF wird zunehmend für hochpräzise (aber nicht high-end) optische oder mechanische Bauteile mit einem geforderten peak-to-valley (PV) Fehler von etwa Lambda/20 eingesetzt. Es können auch gekrümmte oder große Substrate behandelt werden. Auch eine kontinuierliche Produktion ohne menschlichen Einsatz ist möglich.

Schichten für biomedizinische Anwendungen

Beschichtungen in der Medizintechnik gewinnen zunehmend an Bedeutung, Implantate werden biokompatibler oder können mit Barriereschichten versehen werden, die bspw. ein Wechselwirken des Implantat-Basismaterials mit dem umgebenden Gewebe verhindern oder die Abrasionsstabilität positiv beeinflussen. Über „Thermal Spray Coatings on non-metallic Materials for Medical Implants – Innovations in Coating Polymers and Ceramics“ informierte Harald Holeczek, Medicoat AG, Schweiz. Durch Plasmaspritzen in Atmosphäre (APS) oder im Vakuum (VPS) werden Implantate mit Titan oder Hydroxylapatit an den in Kontakt mit dem Knochen stehenden Oberflächen beschichtet. Die rauen und mikrostrukturierten Schichten und das Beschichtungsverfahren sind bereits Stand der Technik. Neu und innovativ ist der Einsatz von Implantaten aus Keramik, die mittels VPS mit hoher Haftung direkt auf deren Oberfläche aufgetragen werden. Zunehmend kommen auch temperaturempfindliche Polymer­implantate (PEEK) zum Einsatz, die ebenfalls durch Plasmaspritzen beschichtet werden können.

Die Verweildauer von z. B. Knieimplantaten kann zwischen 15 und 20 Jahren liegen, durch Verschleiß oder Bruch ist aber vorzeitiges Versagen möglich. Dr. Susan Schmidt, IHI Ionbond AG, Zürich, informierte in ihrem Vortrag „Performance of DLC Coatings on Knee and Spine Replacements“ über die Ergebnisse einer Studie darüber, wie Diamond like carbon (DLC)-Schichten die Oberflächeneigenschaften verbessern und zu längerer Lebensdauer beitragen können. Die zu testenden Schichten wurden durch Plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PACVD) auf Komponenten von Knie- und Wirbelsäulenimplantaten (CoCrMo, TiAlV) sowie auf Testsubstraten aufgetragen. Sie wurden nach ISO 14243-1 und ASTM F732 getestet. Dabei zeigten die DLC-beschichteten Proben deutliche Überlegenheit gegenüber unbeschichteten in Bezug auf Verschleiß, Ionenfreisetzung und Korrosion. Es werden eine erhöhte Lebensdauer und weniger Revisionseingriffe erwartet.

„Advancing Healthcare through PVD Coatings: The Benefits in Medical Applications“ – Dr. Canet Acikgoz Oerlikon Surface Solutions AG, Balzers, Liechtenstein, stellte in ihrem Vortrag die BALIMED Schichten ihres Unternehmens vor, die in der Medizintechnik zunehmend zum Einsatz kommen. Sie bieten Vorteile wie niedrige Reibung, hohe Verschleißfestigkeit und chemische Beständigkeit. Die nur wenige Mikrometer dicken Schichten werden mittels reaktiver PVD abgeschieden und können anwendungsbezogen optimiert werden, beispielsweise um neue antimikrobielle Oberflächen zu schaffen. Diese können im Bereich orthopädischer und medizinischer Geräte anstelle konventioneller Silberbeschichtungen eingesetzt werden. Das ermöglicht ein feines Tuning zwischen antibakeriellem Verhalten und Toxizität.

Quantentechnologie als Innovationstreiber

Im Rahmen des Vortragsprogramms wurde über die Möglichkeiten der Dünnschichttechnologie zur Unterstützung der Weiterentwicklung von quantenbasierten Systemen und die Chancen, diese von der Forschung in Industrieprodukte zu überführen, berichtet. Die nachfolgenden drei Beiträge informierten über die Thematik.

In seinem Vortrag „Nanomaterial Systems for integrated Quantum Photonics Applications“ berichtete Dr. Falk Eilenberger über Aktivitäten des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena, und Partnern. Im Projekt CO2M werden für zwei Erdbeobachtungssatelliten zur Messung von Treibhausgasen anspruchsvolle optische Komponenten für die drei Kanäle des Spektrometers (NIR, SWIR1 and SWIR2) entwickelt. Die sogenannten PG+P Disperser bestehen aus jeweils zwei Prismen und einem Gitter. Ein spezielles Gitterdesign kommt zum Einsatz, in dem funktionelle optische Schichten (verschiedene antireflektierende und absorbierende Schichten sowie lasermodifizierte Oberflächen) durch IAPVD und ALD aufgetragen werden.

Dr. Manuela Junghähnel, Fraunhofer IZM ASSID, Moritzburg, stellte in ihrem Beitrag „Advanced Heterogenous Integration Packaging Technologies for next Generation Quantum Computing“ das vom BMBF geförderte Projekt „Quantum computer in the solid state – Qsolid“ vor. Sein Ziel ist die Entwicklung eines fehlertoleranten Quantencomputers auf Grundlage supraleitender Q-bits und dessen Integration in die vorhandene Supercomputerumgebung des Forschungszentrums Jülich. Im Rahmen des Teilprojekts „cryogenic packaging“ soll eine aufskalierbare Packaginglösung erarbeitet werden. Herausforderung dabei ist die Kombination von effektiver thermischer Entkopplung und hochdichten supraleitenden Drähten zwischen der Quantenverarbeitungseinheit und der kontrollierenden Elektronik unter kryogenen Bedingungen. Dies ermöglicht der am IZM ASSID entwickelte „silicon flex interposer approach“ durch Verwendung TiN-basierter supraleitender Drähte und bump bonds aus Indium. Die Vortragende stellte das am IZM ASSID entwickelte Packaging-Konzept vor, in dem verschiedene Beschichtungsprozesse wie PVD, Reactive Ion Etch (RIE) und Electrochemical Deposition (ECD) zum Einsatz kommen.

Im Beitrag „Quantum Technologies and possible Implications for Thin-film Technologies“ informierte Dr. Thomas Strohm, Robert Bosch GmbH, Stuttgart über die vielfältigen möglichen Produkte (z. B. Quantencomputer oder Quantensensoren) auf Basis von Quantentechnologien und die Einsatzmöglichkeiten von Dünnschichtverfahren zu deren Realisierung. Relativ weit entwickelt sind schon Quantensensoren (z. B. Quantenmagnetometer oder Quantengyroskope). Bei diesen kommen z. B. Schichten auf Diamantbasis mit eingelagerten NV-Zentren, Diffusionsbarrieren für Rubidium oder Cäsium oder temperaturstabile Schichten zum Einsatz. Beispiele für Anwendungen sind neue und empfindlichere Sensortypen auf Grundlage von Quanteneffekten, die Atome, Halbleiterspins oder Photonen nutzen sowie u. a. Sensoren zur Messung von Magnetfeld, Beschleunigung, Rotation, Zeitelektrisches Feld, Masse.

Fotos: René Jungnickel