NSF-DFG: Adhäsion rauer Oberflächen in feuchten Umgebungen

• Antragsteller: Professor Dr. Lars Pastewka
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540640170

Die Hauptziele des vorliegenden Antrags sind: (1) Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses der Kombination aus Chemie, mechanischen Eigenschaften und Oberflächentopographie, die die Kapillaradhäsion harter Oberflächen bestimmt; und (2) Verständnis der Veränderungen der Adhäsion in feuchter Umgebung für wiederholte Waferpositionierung in der Halbleiterfertigung. Die zentrale Hypothese der vorgeschlagenen Arbeit ist, dass die Bildung, Deformation und Perkolation von Kapillarbrücken die Adhäsionskräfte in feuchten Umgebungen bestimmt und diese Prozesse durch Topographie auf mehreren Längenskalen gesteuert werden. Die Forschung wird mit Hilfe modernster Experimente und numerischer Simulationen durchgeführt, um zwei Forschungsziele zu erreichen. (1) Eine Bestimmung, wie die Oberflächentopographie auf mehreren Längenskalen in Verbindung mit der Oberflächenchemie und den mechanischen Eigenschaften die Kapillarhaftung von technologierelevanten Materialien steuert. Untersucht werden hierzu drei häufig verwendete verschleißfeste Beschichtungen auf Diamantbasis. Ergänzende Simulationen werden die physikalischen Prozesse aufdecken, die dem beobachteten Verhalten zu Grunde liegen. Weiterhin wird durch wiederholte Kontaktbildung der Alterungsprozess der Beschichtungen simuliert. Die vorgeschlagene Forschung wird zu einem Paradigmenwechsel im Verständnis der Kapillaradhäsion führen. Bestehende Theorien betrachten Oberflächen mit wohldefinierter, deterministischer Topographie. Diese lassen sich nicht auf reale Oberflächen anwenden, die zufällige, auf vielen verschiedenen Längenskalen überlagerte Rauheiten enthalten. Die Situation ist vergleichbar mit unserem Verständnis von nicht-adhäsiven rauen Oberflächen, bei denen bis circa 2000 einfache einskalige Modelle vorherrschten, bis das Feld von neuen theoretischen Modellen revolutioniert wurde, die mehrskalige Topographie beschrieben. Ein ähnlicher Paradigmenwechsel ist bei der Adhäsion in feuchten Umgebungen erforderlich, aber noch nicht vollzogen worden. Die grundlegende wissenschaftliche Frage, die im Mittelpunkt unseres Vorschlags steht, lautet: Welche Merkmale, Strukturen und Eigenschaften wirken sich bei realen Oberflächen mit zufälliger multiskaliger Topographie am stärksten auf die Kapillaradhäsion aus? Diese Frage kann nur mit der vorgeschlagenen, einzigartigen Kombination aus folgenden Elementen beantwortet werden: (a) Oberflächenmessungen über alle Skalen; (b) experimentelle Messungen der Kapillaradhäsion; (c) beschleunigte Tests, um Alterung der Beschichtungen im Laufe der Zeit zu verstehen; (d) datengestützte Korrelation von Topographie und Adhäsion; und (e) numerische Simulationen der Kapillarbildung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Tevis Jacobs, Ph.D.