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Institut für Energie- und Klimaforschung

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PVD/CVD

Mikrostrukturiert, leistungsfähiger, preisgünstiger: Die Mikroelektronikindustrie hat vorgemacht, wie auch hochkomplexe Systeme mit massenfertigungstauglichen Herstellungsverfahren besser und bezahlbarer werden können. Auch für Batterien ist die effiziente und damit wirtschaftliche Herstellung ein ganz wichtiger Aspekt. Am IEK-1 wird dabei auf sogenannte Gasphasenabscheidungsprozesse gesetzt. Hier unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten: physikalische Gasphasenabscheidung (engl.: physical vapor deposition, kurz: PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (engl.: chemical vapor deposition, kurz: CVD).

Elektrochemische SpeicherÜbersicht zur CS 800 ES

Prinzip

Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) wird ein Material z.B. durch Verdampfen oder Zerstäuben auf atomarer Skala in die Gasphase überführt. Das Gas trifft auf die zu beschichtenden Proben und scheidet sich dort, je nach Versuchsdauer, als nanometer- bis mikrometerdünne Schicht ab. Während des gesamten Beschichtungsprozesses - Überführen in die Gasphase, Bewegung zu den Proben und Kondensation auf der Probenoberfläche - ändert sich nur der Aggregatszustand des Werkstoffs: von "fest" oder "flüssig" zu "gasförmig" und wieder zu "fest". Es bleibt aber grundsätzlich chemisch dasselbe Material.
Anders bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD): Hier werden Gase zu den Proben geleitet, die auf dem Weg zur Probe bzw. an der Probenoberfläche chemisch reagieren. Ein Teil der chemisch reagierten Substanzen bleibt an der Oberfläche und bildet die Schicht.

Anlagentechnologien

Aktuell verfügt das IEK-1 über drei verschiedene PVD-Anlagen und eine CVD-Anlage mit jeweils unterschiedlichen Anwendungsbereichen.
Die PVD-Anlage CS 400 ES (Von Ardenne GmbH) wird für luftunempfindliche Beschichtungen im Bereich Elektrochemische Speicher und Brennstoffzellen genutzt und ermöglicht Kathodenzerstäubung ("Sputtern") im Gleichstrom (DC)- und im Hochfrequenz (RF-)-Betrieb, sowie Elektronenstrahlverdampfung. Beide Prozesse können auch reaktiv, d.h. in Anwesenheit eines Gases, mit dem das Material in der Gasphase reagieren kann, durchgeführt werden. Zur Einstellung der Morphologie können die Beschichtungen bei Temperaturen bis 800 °C und wahlweise mit zusätzlicher Ionenunterstützung erfolgen. Dabei können Substrate bis zu einem Durchmesser von 7 Zoll (ca. 17,5 cm) beschichtet werden.
Die PVD-Anlage CS 800 ES (Von Ardenne GmbH) komplettiert die Anlagentechnologie der CS 400 ES, sie verfügt insbesondere über auf die Herstellung von Dünnschichtbatterien abgestimmte Erweiterungen. Der modulare Aufbau aus zwei Sputter- und einer Elektronenstrahlverdampferkammer ermöglicht die Abscheidung von kompletten Batterien innerhalb des Systems ohne Ausbau der Proben aus der Anlage. Dadurch werden Kontaminationen auf ein Minimum reduziert und die Qualität der erhaltenen Zellen deutlich erhöht. Darüber hinaus ist die Anlage an ein Glovebox-System angebunden, so dass auch luftempfindliche Schichten hergestellt und direkt nach der Synthese erste Analysen ohne Unterbrechung der inerten Atmosphäre durchgeführt werden können.
Die PVD-Anlage CC800/9 (Cemecon AG) beschichtet mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern. Dies ermöglicht unter anderem eine verbesserte Haftung der Schichten und eine homogene, dichte Schicht auch auf komplexen Geometrien.

Elektrochemische SpeicherCS 800 ES mit Gloveboxen


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