Die Deutsche Vakuumgesellschaft DVG

Eine Einrichtung zur Förderung der vakuumgestützten Wissenschaftsbereiche und deren Anwendungen

Hans Oechsner

Mit dem nachfolgenden Beitrag soll von seiten der Deutschen Vakuum-Gesellschaft DVG das zehnjährige Bestehen der Zeitschrift „Vakuum in Forschung und Praxis“ gewürdigt werden. In der heutigen Zeit mit ihrer hohen Dichte an immer neuen und weiterführenden Ergebnissen auf den von der DVG betreuten Wissenschafts- und Technologiebereichen kommt der Durchreichung neuer Erkenntnisse und Informationen an potentielle Nutzer – auch aus dem nichtakademischen Bereich – eine immer größere Bedeutung zu. Hier erfüllt „Vakuum in Forschung und Praxis“ eine wichtige Mittlerrolle als Bindeglied zwischen der erkenntnisorientierten Grundlagenforschung und den auf die Praxis ausgerichteten Arbeitsbereichen auf der Basis vakuumgestützter Methoden und Techniken.

 

1. Zur Historie der DVG

Experimente zur Erzeugung von Vakua, d.h. von Räumen, in denen ein Druck unterhalb des normalen Atmosphärendrucks erzeugt und aufrechterhalten wird, reichen gerade in unserem Land weit zurück. Das bekannteste Beispiel sind die Magdeburger Halbkugeln Otto von Guerickes (1654); auch die Arbeiten von H. Geissler und A. J. Toepler aus der Mitte des vorigen Jahrhunderts zum Bau von Quecksilberdiffusionspumpen sind hier zu nennen. Vor allem schufen aber die bis in die Mitte unseres Jahrhunderts reichenden Arbeiten von Wolfgang Gaede zur Entwicklung der modernen Diffusionspumpen sowie der sogenannten „Kapselpumpe“ und einer Molekularpumpe als Vorläufer der heutigen Drehschieberpumpen und Turbomolekularpumpen die Grundlage für die Forschung und Technologie unter Hochvakuum- und Ultrahochvakuumbedingungen, wie wir sie heute kennen.

Von der wissenschaftlichen Seite her war die Vakuumphysik bis in die Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg in den Physikalischen Gesellschaften der einzelnen Länder beheimatet. Die Möglichkeiten, die das Arbeiten unter Vakuumbedingungen für viele Wissenschaftsdisziplinen, vor allem aber für technische Anwendungen und die industrielle Praxis eröffneten, führten jedoch in den 50er Jahren dazu, daß eigene wissenschaftlich-technische Gesellschaften entstanden, die sich die Betreuung der Wissenschaft- und Technikdisziplinen zur Aufgabe machten, bei denen das Vakuum die entscheidende Komponente bildet. So wurde beispielsweise in den USA 1953 die American Vacuum Society AVS als die heute größte Schwestergesellschaft der DVG gegründet. Etwa zur gleichen Zeit entstanden in Deutschland zur Förderung der entsprechenden Fachdisziplinen drei Vereinigungen, nämlich die Deutsche Gesellschaft für Vakuumtechnik e.V., der Deutsche Arbeitskreis Vakuum DAV und das Deutsche Nationale Komitee Vakuum, von denen das letztgenannte für die Mitarbeit in internationalen Gremien zuständig war. Dies betraf vor allem die Vertretung in der späteren International Union for Vacuum Science, Technique and Applications IUVSTA, die 1962 aus der vier Jahre zuvor gegründeten Internationalen Organisation für Vakuumphysik und -technik IOVT hervorging.

Der Deutsche Arbeitskreis Vakuum wurde von vier wichtigen wissenschaftlichen und technischen Gesellschaften betreut, nämlich der Deutschen Physikalischen Gesellschaft DPG, der Deutschen Gesellschaft für Chemisches Apparatewesen DECHEMA, dem Verein Deutscher Ingenieure VDI sowie der Nachrichtentechnischen Gesellschaft NTG. Unter Mitwirkung dieser Trägergesellschaften kam es schließlich im März 1963 zur Gründung der Deutschen Arbeitsgemeinschaft Vakuum DAGV, in der sich die bisher in Deutschland nebeneinander bestehenden drei Vereinigungen auf dem Gebiet der Vakuumphysik und -technik zusammenschlossen. Ab 1973 befand sich die Geschäftsstelle der DAGV im Institut für Grenzflächenforschung und Vakuumphysik IGV in Jülich, dessen Gründung als nationales „Vakuuminstitut“ auf Initiative der DAGV erfolgte.

1990 stimmten in schriftlicher Abstimmung die überwiegende Mehrzahl der DAGV-Mitglieder dem Vorschlag des Beirats der DAGV zu, deren Namen in „Deutsche Vakuum-Gesellschaft“ DVG zu ändern. Ein wesentlicher Grund hierfür war, daß dann mit der Bezeichnung German Vacuum Society die Äquivalenz zu den Namen der nationalen Vakuumgesellschaften in anderen Ländern hergestellt wurde. Ein wichtiges Ereignis in der Geschichte der DAGV/DVG war schließlich der 1991 erfolgte Zusammenschluß mit der entsprechenden Organisation in der ehemaligen DDR, nämlich der Nationalen Kommission Vakuum, die als Vorstand des Fachverbandes Hochvakuum, Grenzflächen, Dünne Schichten der Physikalischen Gesellschaft der DDR fungierte.

Die Deutsche Vakuum-Gesellschaft DVG unterhält heute 5 wissenschaftliche Fachausschüsse, nämlich die Ausschüsse „Oberflächenphysik“ (Vorsitzender J. Kirschner, Halle), „Dünne Schichten“ (R. Kassing, Kassel), „Vakuumphysik und -technik“ (O. Ganschow, Hürth), „Elektronische Materialien und -verfahren“ (H. Lüth, Jülich) sowie den erst Ende 1996 gegründeten Ausschuß „Nanostrukturwissenschaften und -technik“ (R. Wiesendanger, Hamburg). Dazu kommen Fachausschüsse für Ausbildung (W. Schwarz, Hanau), Normung (H. Henning, Köln) sowie für Dokumentation.

Aus der Arbeit des Ausschusses Ausbildung in der jüngsten Zeit ist die Herausgabe einer in Buchform erschienenen Aufgabensammlung zur Vakuumphysik und -technik [1] hervorzuheben. Der Ausschuß Normung vertritt die Interessen der deutschen Vakuumfirmen auf internationaler Ebene in den zuständigen ISO-Gremien. Ihm obliegt seit kurzem insbesondere die Federführung des ISO-Subkomitees 3 „Properties of Vacuum Pumps“ unter dem Vorsitz von H. Henning, Köln. Der Ausschuß Dokumentation widmete sich unter seinem Vorsitzenden G. Reich bis zu dessen Tod im vergangenen Jahr vor allem dem Aufbau des Gaede-Archivs, das bei der Firma Leybold in Köln eine Heimstatt gefunden hat.

Von den wissenschaftlichen Ausschüssen der DVG werden diejenigen für Oberflächenphysik, Dünne Schichten sowie Vakuumphysik und -technik gleichzeitig auch als Fachverbände der Deutschen Physikalischen Gesellschaft DPG geführt, mit der die DVG als Nachfolgerin der DAGV schon von der Gründung her eng verbunden ist. Für den neuen Ausschuß Nanostrukturwissenschaften und -technik wird von der DVG ebenfalls der gleichzeitige Status eines DPG-Fachverbandes angestrebt. Die drei erstgenannten Ausschüsse wirken im Arbeitskreis Festkörperphysik in der DPG (derzeitiger Sprecher K. Wandelt, Bonn) mit und sind jeweils mit einer großen Zahl von Beiträgen an den Frühjahrstagungen dieses Arbeitskreises beteiligt.

Bereits zur Tradition ist es geworden, daß auf den Frühjahrstagungen des Arbeitskreises Festkörperphysik der DPG jährlich auch der Gaede-Preis der Deutschen Vakuum-Gesellschaft verliehen wird. Die Schaffung dieses Preises im Jahre 1985 durch eine großzügige Stiftung von Manfred Dunkel, dem früheren Inhaber der Firma Leybold, stellt einen weiteren wichtigen Meilenstein in der Entwicklung der DVG dar. Mit dem Gaede-Preis sollen herausragende grundlagen- und anwendungsorientierte Arbeiten insbesondere von jüngeren Wissenschaftlern aus Forschung und Praxis auf den von der DVG betreuten Gebieten ausgezeichnet werden. Er ist inzwischen als einer der großen Physikpreise in Deutschland fest etabliert. Die bisherigen Preisträger sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Im folgenden Abschnitt seien nun anhand einiger aktueller Beispiele die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf den DVG-Feldern Oberflächenphysik, Dünne Schichten sowie Nanostrukturwissenschaften illustriert.

2. Einige Ergebnisse aus der Grundlagenforschung und anwendungsorientierten Arbeiten auf den von der DVG betreuten Gebieten

In der Oberflächenphysik sind strukturelle Phasenübergänge in extrem dünnen Oberflächenbedeckungen ein wichtiger Aspekt. Das Beispiel in Abb. 1 stammt aus Untersuchungen der Gruppe um J. Kirschner am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle und zeigt eine Serie von Bildern, die mit dem Rastertunnelmikroskop an Eisenbedeckungen im Monolagenbereich auf einer Cu(111)-Oberfläche gewonnen wurden [2]. Im Bereich unterhalb einer Monolage kommt es zu einer eindimensionalen Struktur von Fe-Atomen, die sich an den oberen Rändern der Terrassen auf der atomar gestuften Substratoberfläche anordnen. Mit zunehmender Bedeckung treten Perkolationserscheinungen auf, die zu einem direkten Kontakt zwischen den Streifen führen. Dies setzt sich schließlich zu einer Struktur fort, die im Bereich um zwei Fe-Monolagen stellenweise die Dreifachsymmetrie der flächenzentrierten Cu(111)-Unterlage reflektiert. Für noch höhere Bedeckungen erfolgt ein struktureller Übergang zu einer raumzentrierten (110)-Struktur. Von besonderem Interesse bei diesem System ist auch dessen magnetisches Verhalten. So tritt bei einer Fe-Bedeckung von etwa 2,5 Monolagen ein sprunghafter Anstieg der Sättigungsmagnetisierung auf, die auf ein Umklappen der leichten Magnetisierungsachse aus der Richtung senkrecht zur Substratoberfläche in eine in plane-Orientierung zurückgeführt werden kann.

Bei Untersuchungen zur Wechselwirkung reaktiver Gase mit geordneten Oberflächen kommt es mitunter ebenfalls zu interessanten Effekten der atomaren Selbstorganisation. Ein Beispiel zeigt Abb. 2 für die Sauerstoffexposition einer (110)-orientierten Cr-Oberfläche [3]. Aufgrund der Fehlanpassung zwischen dem zweidimensionalen Gitter einer Lage der Adatome und der Unterlage bilden sich präzise ausgerichtete Streifen mit einem Abstand von 2,35 nm aus. Genauere Überlegungen zeigen, daß die Sauerstoffatome in den Streifen auf drei- bzw. vierfach koordinierten Chemisorptionsplätzen sitzen, während sie in den Zwischenräumen nur „on top“-Plätze einnehmen könnten, auf denen sie bei erhöhten Substrattemperaturen nicht fest genug gebunden sind. Damit entstehen regelmäßige Nanostrukturen, die beispielsweise für die Speichertechnologie durch eine – dann drastische – Erhöhung der Packungsdichte neue Dimensionen eröffnen können.

Oberflächenphysikalische Untersuchungen an Systemen mit geringem Bedeckungsgrad liefern oft die Grundlagen für ein vertieftes Verständnis der Wachstumsprozesse von Dünnen Schichten, deren Erzeugung und Anwendung ein weiteres sehr großes Gebiet bilden, mit dem sich die DVG befaßt. Für die Schichterzeugung sind in den letzten 30 Jahren neben die klassische Aufdampfmethode mittels Widerstandsheizung eine ganze Palette von weiteren vakuumgestützten Verfahren getreten. Zu nennen sind hier vor allem die verschiedenen Sputtertechniken, aber auch die Methoden der Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition CVD), insbesondere deren plasma- oder lasergestützte Versionen. Dünnen Schichten kommt heute in den meisten der materialwissenschaftlich ausgerichteten Hochtechnologiebereichen die entscheidende Rolle zu. Als ein schönes Beispiel zeigt Abb. 3 aus den Arbeiten der Gruppe von H. Hoffmann, Regensburg, das Transmissionselektronenbild eines Ausschnittes aus einem Eisen-Terbium-Vielschichtsystem für die magnetooptische Datenspeicherung. Man erkennt deutlich die polykristallinen Tb-Lagen von nur 3 nm, die sich mit amorphen oder zumindest nicht ausgeprägt kristallinen Eisenlagen von nur 2 nm abwechseln. Die aus ca. 40 Einzelschichten bestehende Struktur wurde mittels Magnetronzerstäubung erzeugt und weist eine für sputterdeponierte Schichten ungewöhnlich hohe Güte der inneren Grenzflächen auf.

Als einer der vielen Anwendungsbereiche dünner Schichten hat sich in jüngerer Zeit auch die Oberflächenvergütung von Werkzeugen und Bauteilen im Maschinenbau durch das Aufbringen von Hartstoffschichten fest etabliert. Auf diesem Bereich arbeiten Physiker, Werkstoffkundler und Ingenieure zusammen, um die Standzeit von Schneidwerkzeugen zu verlängern oder Reibung und Verschleiß durch maßgeschneiderte Beschichtungen zu minimieren. Dazu ist in Abb. 4 das Reibverhalten eines Ziehwerkzeugs während eines Blechumformprozesses als Funktion der Andrückkraft dargestellt. Während für das unbeschichtete Werkzeug die Reibung mit der Kontaktnormalspannung wie erwartet zunimmt und durch Aufschweißeffekte bald die Versagungsgrenze erreicht wird, nimmt für das beschichtete Werkzeug der unter gleichen Bedingungen ermittelte Reibwiderstand mit zunehmender Kontaktnormalspannung sogar ab. Für den betrachteten Fall, in dem mit Hilfe einer Plasmastrahlquelle eine gezielt texturierte Titannitridschicht aufgebracht wurde [4], wird die Versagungsgrenze auch bei den höchsten prozeßtechnisch noch vernünftigen Anpreßkräften nicht erreicht. Der Transfer von den Grundlagen über anwendungsorientierte Forschungsarbeiten in die ingenieursmäßige Praxis hat sich gerade auf dem Gebiet der Hartstoffbeschichtungen in jüngster Zeit besonders dynamisch entwickelt.

Abschließend sei noch kurz auf das wichtige Gebiet der chemischen und strukturellen Oberflächen- und Schichtanalytik eingegangen, zu dem aus der DVG heraus viele international anerkannte Beiträge geleistet wurden. Dieser Bereich ist in den letzten Jahren durch die Fortschritte auf dem Gebiet der Rastersondenmethoden gekennzeichnet, welche die analytischen Werkzeuge für die Nanostrukturwissenschaften liefern. Neben der Rastertunnelmikroskopie hält hier vor allem die atomare Rasterkraftmikroskopie Einzug in die technologische Praxis. Von zentraler Bedeutung bei dieser Methode sind die Auslegung und die Eigenschaften des sogenannten Cantilevers, d.h. eines mikroskopischen Biegebalkens, der eine präzise geformte mikroskopische Abtastspitze trägt. Solche Systeme lassen sich heute durch eine Kombination von lithographischen Strukturierungsmethoden und Depositionstechniken, wie sie in der modernen Beschichtungstechnologie verwendet werden, mit hoher Genauigkeit herstellen. Dazu zeigt Abb. 5 das vordere Ende eines der Cantilever, wie sie von R. Kassing und Mitarbeitern in Kassel inzwischen routinemäßig angefertigt werden. Zur Herstellung des Balkens wird eine lithographisch erzeugte Form durch einen CVD-Prozeß, bei dem ein Kohlenwasserstoffgasgemisch an heißen Drahtoberflächen zersetzt wird, mit Diamant aufgefüllt. Die mit einer mikroskopischen Abformtechnik hergestellte Spitze hat eine Basislänge von ca. 20 mm und einen gezielt einstellbaren Krümmungsradius an der Spitze von etwa 40 nm.

Neben der strukturellen Oberflächeninformation, die mit den Rastersondentechniken jetzt bis in den subatomaren Bereich möglich wird, ist auch eine quantitative chemische Analyse der Oberfläche und der oberflächennahen Bereiche mit möglichst hoher Ortsauflösung eine entscheidende Voraussetzung sowohl für die Grundlagenforschung als auch die moderne Oberflächen- und Dünnschichttechnologie. Elektronen- und massenspektrometrische Verfahren, deren Entwicklung und Vervollkommnung dem Bereich der Angewandten Oberflächenphysik zuzurechnen ist, werden heute in zunehmendem Maße ebenfalls für die Bearbeitung und Aufklärung von Fragestellungen aus der industriellen Praxis eingesetzt. Dies sei anhand von Abb. 6 illustriert. Dargestellt sind die mit einer Augerelektronenmikrosonde unter sukzessivem Sputterabtrag ermittelten Konzentrationsverteilungen von Fe, C, O und Ca innerhalb eines Tiefenintervalls von nur 30 nm an der Zylinderinnenwand eines PKW-Dieselmotors. Aufgabe solcher Untersuchungen ist im speziellen die Aufklärung und das bessere Verständnis von Korrosionsprozessen im tribologischen System Kolben-Schmiermittel-Zylinderwand. Die Würfelbilder in Abb. 6 zeigen deutlich eine quantitative Korrelation zwischen der räumlichen Verteilung von Fe und O, die auf die Bildung von reibungsmindernden FeO-Bereichen an der Zylinderoberfläche hinweisen. Als interessantes Detail wird unter der Oberfläche auch der Einbau von Ca (in Form von CaCO3) sichtbar, das aus dem Motorenöl stammt.

Die wenigen hier gebrachten Beispiele sollen verdeutlichen, welche Bedeutung die von der DVG betreuten Gebiete, für die das Vakuum die Arbeitsgrundlage ist, in der modernen Forschung und Technologie erlangt haben. Die Vakuumerzeugung und -messung ist daher auch heute noch ein wichtiges Tätigkeitsfeld der DVG, vor allem der ihr angehörenden Vakuumfirmen. Die entsprechenden Aktivitäten liefern erst die Basis für Grundlagen- und Entwicklungsarbeiten auf dem Bereich der vakuumnutzenden Disziplinen wie der Oberflächenphysik und -technik, der Erzeugung und den Anwendungen dünner Schichten auf den verschiedensten Bereichen sowie der aufkommenden Nanotechnologie, die heute insgesamt den Hauptteil der Aktivitäten der Deutschen Vakuum-Gesellschaft wie auch ihrer Schwestergesellschaften in den anderen Ländern ausmachen.

Bildunterschriften

Abb. 1

Rastertunnelbilder zur morphologischen Entwicklung von ultradünnen Fe-Filmen auf einer Cu(111)-Oberfläche. Das Substrat weist in <100>-Richtung liegende Stufen auf, die in den Bildern von oben nach unten laufen (Aufnahmen M. Klaua, J. Shen, MPI für Mikrostrukturphysik, Halle, vgl. auch [2]).

Abb. 2

Rastertunnelbild einer Streifenstruktur, die sich auf einer (110)-Cr-Oberfläche bei Exposition mit 5 Langmuir O2 nach dem Tempern bei 850°C ausbildet (Aufnahme M. Müller, Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik IFOS an der Universität Kaiserslautern; vgl. auch [3])

Abb. 3

Ausschnitt aus einem Terbium-Eisen-Viellagensystem aufgenommen in einem Transmissionselektronenmikroskop (Aufnahme J. Zweck, Institut für Angewandte Physik der Universität Regensburg).

Abb. 4

Reibverhalten eines unbeschichteten und eines mit TiN beschichteten Ziehwerkzeugs in Abhängigkeit von der Kontaktnormalspannung beim Umformprozeß. (Aus einer Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Technische Physik der Universität Kaiserslautern und dem Institut für Umformtechnik der TH Darmstadt)

Abb. 5

Rasterelektronenbild eines Cantilevers aus Diamant für die Rasterkraftmikroskopie (Aufnahme G. Oesterschulze, Institut für Technische Physik der Universität/GH Kassel)

Abb. 6

Dreidimensionale Konzentrationsverteilungen von Fe, C, O und Ca an der Zylinderinnenwand eines PKW-Dieselmotors gemessen mit einer Augerelektronen-Mikrosonde. Würfelgröße 250 mm x 250 mm x 30 nm (Aus dem Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik IFOS, Kaiserslautern)

Literatur

[1] H. Adam, H. K. Hartmann, W. Schwarz, Vakuumtechnik Aufgabensammlung, F. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1996

[2] J. Shen, M. Klaua, P. Ohresser, H. Jenniches, J. Barthel, Ch. V. Mohan, J. Kirschner, Phys. Rev. B 56 (1997), 11134

[3] M. Müller, H. Oechsner, Surf. Sci. 387 (1997), 269–278

[4] F. R. Weber, H. Oechsner, Surf. Coat. Technol. 59 (1993), 234–238

Angaben zum Autor

Prof. Dr. Hans Oechsner ist Inhaber des Lehrstuhls für Technische Physik und Direktor des Instituts für Oberflächen- und Schichtanalytik IFOS an der Universität Kaiserslautern. Er ist seit 1995 Präsident der Deutschen Vakuum-Gesellschaft.