Physikalisches Aufdampfen aus der Gasphase (PVD) ist ein Dünnschichtbeschichtungsprozess, bei dem Beschichtungen aus reinem Metall, Metalllegierungen und Keramik mit einer Dicke von in der Regel 1 bis 10 µm entstehen. Wie der Name schon sagt, ist das physikalische Aufdampfen aus der Gasphase das physikalische Abscheiden von Atomen, Ionen oder Molekülen des Beschichtungsmaterials auf dem Substrat. Warum sollten Sie sich mit der PVD-Beschichtung vertraut machen? Wozu dient die PVD-Beschichtung? Darüber schreiben wir unten.
PVD-Beschichtung – Arten
Es gibt drei Haupttypen von PVD, alle in einer Kammer mit kontrollierter Atmosphäre unter vermindertem Druck (0,1 bis 1 N/m2) durchgeführt:
– Spray,
– Ionenbeschichtung.
Thermisches Verdampfen ist das Erhitzen eines Materials, um Dampf zu erzeugen, der sich auf einem Substrat kondensiert und eine Beschichtung bildet. Die Erhitzung wird mit verschiedenen Methoden erreicht, einschließlich heißem Draht, elektrischem Widerstand, Elektronenstrahl oder Laser und elektrischem Bogen. Das Beschichten besteht darin, ein Plasma zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat zu erzeugen. Ionenbeschichtung ist im Grunde eine Kombination aus thermischem Verdampfen und Zerstäuben.
Alle drei Techniken können zur direkten Einbettung von Material oder für "reaktive" Anwendungen verwendet werden, bei denen chemische Reaktionen in der Dampf-/Plasmaphase zwischen den Atomen des Beschichtungsmaterials und dem "reaktiven" Gas stattfinden. Die Temperatur des beschichteten Substrats beträgt in der Regel 200-400°C, deutlich unter den mit CVD (chemische Gasphasenabscheidung, ein anderer Dünnschichtprozess) verbundenen Temperaturen. PVD ist ein linearer Prozess, der einen einfachen Zugang zur Substratoberfläche erfordert. Drehen Sie einige Elemente, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erzielen.
PVD ist ein Batch-Beschichtungsprozess mit typischen Zykluszeiten von 1 bis 3 Stunden, abhängig von der Art des aufgetragenen Materials und der gewünschten Beschichtungsdicke. Typische Auftragsraten liegen zwischen 50 und 500 µm/Stunde, abhängig von der Technologie. Beschichtete Teile benötigen keine zusätzliche mechanische Bearbeitung oder Wärmebehandlung und sind zudem vor äußeren Einflüssen geschützt.
Anwendungen
PVD-Beschichtungen haben viele Anwendungen, einschließlich:
- Aluminiumbahnen und keramische Widerstände für elektronische Schaltungen,
- antireflektierende keramische Beschichtungen für Optiken,
- dekorative Beschichtungen auf Kunststoffen,
- korrosionsbeständige Beschichtungen auf Gasturbinenschaufeln,
- für die Herstellung von Uhren oder die Veredelung von Uhren
- können Badbatterien haben,
- Verschleißschutzbeschichtungen für Pressmaschinen und Werkzeuge.
Aufgrund der Tatsache, dass der besprochene Prozess mit dem Beschichtungsmaterial als einzelnes Atom oder auf molekularer Ebene arbeitet, kann er extrem saubere und effiziente Beschichtungen liefern, die im Vergleich zu anderen Methoden, die in vielen Anwendungen verwendet werden, bevorzugt sein können. Im Herzen jedes Mikroprozessors und Halbleitergeräts, dauerhafte Schutzfolien, optische Linsen, Solarpaneele und viele medizinische Geräte, bieten PVD-Beschichtungen Schlüsselleistungsattribute des Endprodukts. Unabhängig davon, ob die Beschichtung extrem dünn, rein, haltbar oder rein sein soll, bietet PVD eine Lösung.
Die PVD-Methode findet Anwendung in vielen Industriezweigen, wie optischen Anwendungen, von Brillen bis hin zu selbstreinigenden getönten Fenstern. Darüber hinaus wird es auch in der Solartechnik oder in Geräten wie Computerchips, Displays und Kommunikationsgeräten sowie für funktionale oder dekorative Oberflächenveredelungen eingesetzt.
Die zwei häufigsten Beschichtungsprozesse in der PVD-Beschichtung sind das Sputtern und das thermische Verdampfen. Sputtern ist das Bombardieren des Beschichtungsmaterials, das als Ziel bezeichnet wird, mit hochenergetischen Ladungen, was zur Ablagerung von Atomen oder Partikeln auf Substraten wie Siliziumplatten oder Solarpaneelen führt. Thermisches Verdampfen ist der Prozess, bei dem das Beschichtungsmaterial auf die Siedetemperatur in einer Hochvakuumumgebung erhöht wird, was zu einem erhöhten Dampffluss in der Vakuumkammer führt, der dann auf dem Substrat kondensiert.
Was macht PVD-Beschichtungen so langlebig, korrosions- und kratzfest?
Die Möglichkeit, Beschichtungen auf atomarer Ebene mit PVD aufzutragen, ermöglicht die Kontrolle über Struktur, Dichte und Stöchiometrie dünner Schichten. Durch die Verwendung spezifischer Materialien und Prozesse können wir spezifische Eigenschaften von PVD-Beschichtungen entwickeln, wie Härte, Schmierfähigkeit, Haftung und andere.
PVD-Beschichtungsgeräte
PVD-Beschichtungen reduzieren die Reibung und wirken als Barriere gegen Beschädigungen. Die Anwendungen dieser Beschichtungen erweitern sich ständig. In der Luftfahrt, Automobilindustrie, Verteidigung, Produktion und darüber hinaus ist langfristige Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung (wo beispielsweise Edelstahl verwendet wird).
Diese Art von PVD-Beschichtung ist auch sehr widerstandsfähig gegen Mattierung und Korrosion, was sie für viele dauerhafte dekorative Oberflächen geeignet macht. Eine goldene oder platin PVD-Beschichtung sorgt für ein hervorragendes Finish, wodurch die Uhr sehr kratzfest ist und Kratzer, die weniger abriebfest sind, widersteht.
Titan-Nitrid und ähnliche Beschichtungen sorgen für ein ästhetisches Finish und gleichzeitig eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß. Daher werden sie häufig in Haushaltsartikeln wie Türgriffen, Wasser- und Meereszubehör sowie in Bearbeitungswerkzeugen, Messern, Bohrern und dergleichen verwendet.
Was ist Beschichten?
Der physikalische Abscheidungsprozess aus der Gasphase ist eine umweltfreundliche "Galvanisierungstechnik", die die Menge an toxischen Substanzen, die verwendet, verwaltet und entfernt werden müssen, erheblich reduziert, im Vergleich zu anderen "nassen" Prozessen, die Flüssigkeitsvorläufer und chemische Reaktionen zur Erzielung der gleichen Menge an Ergebnissen beinhalten. Die physikalische Abscheidung aus der Gasphase liefert außergewöhnlich reine, saubere und dauerhafte Beschichtungen und ist die bevorzugte Technologie für die chirurgische und medizinische Implantatindustrie.
Wie werden PVD-Beschichtungen aufgetragen?
Unabhängig davon, ob der spezifische Prozess einer Anwendung das Zerstäuben oder thermische Verdampfen ist, sind beide Prozesse der physikalischen Gasphasenabscheidung grundsätzlich Hochvakuumtechniken, die das Ausgangsmaterial in ein Plasma aus Atomen oder Molekülen verdampfen und es auf verschiedene Substrate abscheiden. Der Prozess findet in einer Hochvakuumkammer bei einem Druck nahe dem Bereich von 10-2 bis 10-6 Torr (102 bis 104 mbar) statt und wird normalerweise bei einer Temperatur von 50 bis 500 Grad Celsius durchgeführt.
Das beschichtete Objekt wird in einer Halterung befestigt und in einer Vakuumkammer platziert. Abhängig vom verwendeten Beschichtungsmaterial, den Anforderungen an das Substrat und dem Prozess, wird die Kammer auf den optimalen Druck gepumpt, und das beschichtete Objekt wird oft erhitzt und plasmagereinigt.
Welche sind die typischen Zielmaterialien für PVD-Beschichtungen?
Das Beschichtungsmaterial, das gesprüht oder verdampft werden soll, wird als "Ziel" oder "Quellmaterial" bezeichnet. Es gibt Hunderte von Materialien, die in der PVD-Technik häufig verwendet werden. Je nach Endprodukt umfassen diese Materialien Metalle, Legierungen, Keramik, Verbundwerkstoffe und fast alles aus dem Periodensystem der Elemente.
Einige Prozesse erfordern einzigartige Beschichtungen, wie Carbide, Nitride, Selbstmorde und Boride für spezielle Anwendungen. Jeder von ihnen hat spezielle Eigenschaften, die an bestimmte Leistungsanforderungen angepasst sind. Zum Beispiel werden Graphit und Titan häufig in Hochleistungskomponenten für Luft- und Raumfahrt und Automobilindustrie eingesetzt, bei denen Reibung und Temperatur Schlüsselfaktoren für den Erfolg sind.
Um eine gleichmäßige dünne Schicht von nur wenigen Atomen oder Partikeln zu erzielen, werden die zu beschichtenden Elemente normalerweise mit der gleichen Geschwindigkeit um mehrere Achsen gedreht oder auf einem Förderband platziert, das durch den Plasmastrahl des abgeschiedenen Materials läuft. Ein- oder mehrschichtige Beschichtungen können im gleichen Abscheidungszyklus aufgetragen werden.
Warum wird Argon für PVD verwendet?
Argon ist ein inertes Gas, was bedeutet, dass es sich chemisch nicht mit anderen Atomen oder Verbindungen verbinden kann. Dadurch gelangt das Beschichtungsmaterial in der Vakuumkammer in die Gasphase, bevor es auf das Substrat aufgetragen wird.
Zusätzlich zur Vakuumkammer können reaktive Gase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Acetylen eingeführt werden, um Verbindungen zu bilden, die während der Abscheidung sehr starke Bindungen zwischen der Beschichtung und dem Substrat bilden. Obwohl die abgeschiedenen dünnen Schichten eine Dicke von einigen Angström bis zu einigen Mikron haben können, bilden sie sehr klebrige Beschichtungen, die sich in vielen Anwendungen gut bewähren, einschließlich dekorativen, elektrischen und anderen funktionalen Beschichtungen. Die Anwendungen sind unbegrenzt! Von Mikroprozessoren bis hin zu Sonnenkollektoren erzeugt der PVD-Beschichtungsprozess einige der härtesten, hellsten und modernsten Technologien unserer Zeit, von denen die wichtigste ist, dass Beschichtungen und PVD-Technologie ohne giftige Rückstände eingesetzt werden können, die unsere Umwelt zerstören.