Oberflächenmodifizierung von Polymethylmethacrylat durch ...

Kapitel 2: Theoretische Grundlagen 31
Ionenenergien zwischen 100 keV und 1 MeV verwendet [82]. Die Erhöhung der Brechzahl
wird mit dem Verlust von flüchtigen Komponenten (vor allem O2) durch den Beschuss und der
damit zusammenhängenden Verdichtung des Materials begründet. Es kommt zur Bildung von
Doppelbindungen an den Positionen der abgespaltenen Seitengruppen.
Die chemische Modifikation der PMMA-Oberfläche ist auch von der Ionenfluenz (pro Fläche
[cm -2 ] auftreffende Ionen) abhängig. Sowohl Licciardello et al. [49] als auch Pignataro et
al. [106] fanden dabei heraus, dass beim Ionenbeschuss einer PMMA-Oberfläche mit einem
Helium- bzw. Argonionenstrahl in Abhängigkeit von der Ionenfluenz unterschiedliche Effekte
erzielt werden können. Während bei kleinen Ionenfluenzen das PMMA-typische Verhalten zur
Kettenspaltung überwiegt, wurde bei höheren Fluenzen eine Vernetzung der Oberfläche
beobachtet. Aus dem ursprünglich positiven wird demzufolge ein negatives Resistmaterial. Der
Haupteffekt des Bombardements ist dabei vor allem die Verringerung der Konzentration der
O-Atome und der an Sauerstoff gebundenen C-Atome (CH3–O-). Schlussfolgernd scheint die
Energie, die durch das bombardierende Ion im Polymer frei wird, zur Aktivierung der
chemischen Vorgänge genutzt zu werden, die zum Verlust von -COOCH3-Fragmenten aus
der Seitenkette führen. Dieser Verlust der Esterfunktionalitäten ist mit der Bildung von
flüchtigen Spezies nach der Ionenstrahlung verbunden. Zu den wichtigsten Spezies, die aus
dem bombardierten PMMA austreten, zählen CH4, CO, CO2, HCOOCH3 und H2. Dieses
Phänomen wandelt die Oberflächenschicht des Polymers allmählich in einen Zustand um, der
ein polyolefin-ähnliches Verhalten aufweist, d. h. in ein Polymer, bei dem die
Vernetzungseffizienz stärker ist als der Spaltungsgrad.
Eine weitere Methode zur Ionenbehandlung von Polymeren ist das Ionenätzen (IBE). Der
Hauptunterschied dieses Verfahrens zur Ionenimplantation ist die geringe Energie der Ionen,
die 1 keV und weniger beträgt. Die geringere Ionenenergie führt nur zu einer Modifikation
einer dünnen Subsurface-Schicht des Polymers. So wird in [80] nach einem Argon-Ionen-
Bombardement mit Energien von 250 eV eine veränderte PMMA-Oberflächentopographie in
Form von Wellenstrukturen und Blasen beobachtet. Laut Koval [80] verursacht das IBE auf
dem Polymer eine Schichteinteilung der Subsurface-Schicht. Die oberste Schicht besteht
demnach aus graphitisiertem Material, die darunter liegende Schicht weist einen vernetzten
Zustand auf und wird durch eine niedermolekulare Schicht vom unveränderten
Polymermaterial getrennt. Weiterhin wurde nach einem Argon-Ionen-Bombardement mit
Energien von 500 eV bis 1000 eV eine erhöhte Leitfähigkeit des PMMA festgestellt.
In [90] wurden PMMA-Substrate mit einem 1 keV O2 + -Ionenstrahl behandelt. Nach dem
O2 + -Bombardment wurde durch die XPS-Analyse eine deutliche Abnahme der polaren
Gruppen (C–O, O=C–O) festgestellt. Obwohl der Beschuss mit keV-Ionen nicht exakt die
Wechselwirkung zwischen Ion und Oberfläche während einer Plasmabehandlung nachbilden
kann, scheint das Ausmaß der Modifikation, selbst für diese sehr geringe Ionendosis
(10 16 cm -2 O2 + ), eine Vorstellung über die Schwere dieses Abbauprozesses zu geben.