Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ist ein Dünnschichtverfahren, mit dem Beschichtungen aus reinem Metall, Metalllegierungen und Keramik mit Dicken von typischerweise 1 bis 10 µm hergestellt werden. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei der physikalischen Gasphasenabscheidung um die physikalische Abscheidung von Atomen, Ionen oder Molekülen einer Beschichtungssubstanz auf ein Substrat.
PVD-Beschichtungen – Arten
Es gibt drei Hauptarten von PVD, die alle in einer Kammer mit kontrollierter Atmosphäre unter reduziertem Druck (0,1 bis 1 N/m2) durchgeführt werden:
– thermische Verdampfung,
– sprühen,
– Ionenplattierung.
Unter thermischer Verdampfung versteht man die Erhitzung eines Materials, um einen Dampf zu erzeugen, der auf dem Substrat kondensiert und eine Beschichtung bildet. Die Erwärmung erfolgt durch verschiedene Methoden, darunter Heißfaser, elektrischer Widerstand, Elektronenstrahl oder Laser und Lichtbogen. Beim Sputtern wird ein Plasma zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat erzeugt. Die Ionenplattierung ist im Wesentlichen eine Kombination aus thermischer Verdampfung und Sputtern.
Alle drei Techniken können für die direkte Materialabscheidung oder für „reaktive” Anwendungen eingesetzt werden, bei denen in der Dampf-/Plasmaphase chemische Reaktionen zwischen den Atomen des Beschichtungsmaterials und dem „reaktiven” Gas stattfinden. Die Temperatur des beschichteten Substrats liegt in der Regel bei 200-400 °C und damit deutlich unter den Temperaturen, die bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), einem anderen Dünnschichtverfahren, herrschen. PVD ist ein Inline-Verfahren, das einen einfachen Zugang zur Substratoberfläche erfordert. Drehen Sie einige Teile, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen.
PVD ist ein Batch-Beschichtungsverfahren mit typischen Zykluszeiten von 1 bis 3 Stunden, abhängig von der Art des verwendeten Materials und der gewünschten Schichtdicke. Typische Auftragsraten liegen zwischen 50 und 500 µm/Stunde, je nach Technologie. Die beschichteten Teile benötigen keine zusätzliche mechanische oder thermische Behandlung.
Anwendungen
Mit PVD hergestellte Beschichtungen sind vielseitig einsetzbar:
- Aluminiumbahnen und Keramikwiderstände für elektronische Schaltungen,
- keramische Antireflexionsbeschichtungen für Optiken,
- dekorative Beschichtungen auf Kunststoffen,
- korrosionsbeständige Beschichtungen auf Gasturbinenschaufeln,
- Verschleißschutzbeschichtungen für Stanzmaschinen und Werkzeuge.
Da das hier erörterte Verfahren mit dem Beschichtungsmaterial als einzelnes Atom oder auf molekularer Ebene arbeitet, kann es extrem saubere und leistungsstarke Beschichtungen liefern, die in vielen Anwendungen anderen Methoden vorzuziehen sind. PVD-Beschichtungen sind das Herzstück jedes Mikroprozessors und Halbleitergeräts, langlebige Schutzfolien, optische Linsen, Solarpaneele und viele medizinische Geräte, die wichtige Leistungsmerkmale für das Endprodukt bieten. Egal, ob die Beschichtung extrem dünn, klar, haltbar oder sauber sein soll, PVD bietet die Lösung.
PVD wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, z. B. bei optischen Anwendungen, von Brillen bis hin zu getöntem selbstreinigendem Glas. Darüber hinaus wird es auch für die Photovoltaik oder in Geräten wie Computerchips, Displays und Kommunikationsgeräten sowie für funktionelle oder dekorative Oberflächen verwendet.
Die beiden gängigsten PVD-Beschichtungsverfahren sind Sputtern und thermisches Verdampfen. Beim Sputtern wird ein als Target bezeichnetes Beschichtungsmaterial mit hochenergetischen Ladungen beschossen, wodurch sich Atome oder Partikel auf Substraten wie Siliziumwafern oder Solarpanels ablagern. Bei der thermischen Verdampfung wird das Beschichtungsmaterial in einer Hochvakuumumgebung auf den Siedepunkt gebracht, was zu einem erhöhten Dampfstrom in der Vakuumkammer führt, der dann auf dem Substrat kondensiert.
Was macht PVD-Beschichtungen besonders langlebig, korrosions- und kratzfest?
Die Fähigkeit von PVD, Beschichtungen auf atomarer Ebene aufzubringen, ermöglicht es uns, die Struktur, Dichte und Stöchiometrie dünner Schichten zu kontrollieren. Durch den Einsatz spezieller Materialien und Verfahren können wir spezifische Eigenschaften der PVD-anlagen entwickeln, wie z. B. Härte, Schmierfähigkeit, Haftung und mehr.
PVD-Beschichtungsanlagen
PVD-Beschichtungen verringern die Reibung und wirken als Barriere gegen Beschädigungen. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Beschichtungen werden ständig erweitert. In der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, im Verteidigungsbereich, in der Fertigung und in vielen anderen Bereichen ist eine lange Lebensdauer entscheidend.
Diese Art der PVD-Beschichtung ist außerdem sehr anlauf- und korrosionsbeständig und eignet sich daher für viele dauerhafte dekorative Veredelungen. Eine PVD-Beschichtung aus Gold oder Platin sorgt für ein hervorragendes Finish und macht die Uhr sehr widerstandsfähig gegen Kratzer und Dellen, die weniger abriebfest sind.
Titannitrid und ähnliche Beschichtungen bieten eine ästhetisch ansprechende Oberfläche mit hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit. Daher werden sie häufig in Haushaltsgegenständen wie Türgriffen, Wasser- und Schiffszubehör sowie in Bearbeitungswerkzeugen, Messern, Bohrern und mehr verwendet.
Was ist Sputtering?
Die physikalische Abscheidung aus der Gasphase ist ein umweltfreundliches Beschichtungsverfahren, das die Menge an toxischen Stoffen, die verwendet, gehandhabt und entsorgt werden müssen, im Vergleich zu anderen „nassen” Verfahren, bei denen flüssige Ausgangsstoffe und chemische Reaktionen erforderlich sind, um die gleiche Menge an Ergebnissen zu erzielen, erheblich reduziert. Die physikalische Abscheidung aus der Gasphase liefert außergewöhnlich saubere, reine und dauerhafte Beschichtungen und ist die bevorzugte Technologie für die chirurgische und medizinische Implantatindustrie.
Wie werden PVD-Beschichtungen aufgebracht?
Unabhängig davon, ob es sich bei dem spezifischen Anwendungsverfahren um Sputtern oder thermisches Verdampfen handelt, handelt es sich bei beiden Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung im Wesentlichen um Hochvakuumtechniken, bei denen das Ausgangsmaterial in ein Plasma aus Atomen oder Molekülen verdampft und auf verschiedene Substrate aufgebracht wird. Das Verfahren findet in einer Hochvakuumkammer mit einem Druck nahe dem Bereich von 10-2 bis 10-6 Torr (102 bis 104 mbar) statt, und der Prozess wird normalerweise bei 50 bis 500 Grad Celsius durchgeführt.
Das beschichtete Objekt wird in einen Halter eingespannt und in die Vakuumkammer gestellt. Je nach verwendetem Beschichtungsmaterial, Substrat und Prozessanforderungen wird die Kammer auf den optimalen Druck gepumpt und das beschichtete Werkstück oft erhitzt und plasmagereinigt.
Was sind die typischen Zielmaterialien für die PVD-Beschichtung?
Das zu spritzende oder zu verdampfende Beschichtungsmaterial wird als „Ziel” oder „Ausgangsmaterial” bezeichnet. Es gibt Hunderte von Materialien, die üblicherweise für PVD verwendet werden. Je nach Endprodukt handelt es sich dabei um Metalle, Legierungen, Keramiken, Verbundwerkstoffe und fast alles aus dem Periodensystem der Elemente.
Einige Verfahren erfordern besondere Beschichtungen wie Karbide, Nitride, Suizide und Boride für spezielle Anwendungen. Jedes hat besondere Eigenschaften, die auf spezifische Leistungsanforderungen zugeschnitten sind. Graphit und Titan werden beispielsweise häufig in Hochleistungskomponenten für die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie verwendet, wo Reibung und Temperatur die wichtigsten Erfolgsfaktoren sind.
Um eine gleichmäßige dünne Beschichtung aus wenigen Atomen oder Partikeln zu erzeugen, werden die beschichteten Bauteile in der Regel mit der gleichen Geschwindigkeit um mehrere Achsen gedreht oder auf ein Förderband gelegt, das durch einen Plasmastrom aus abgeschiedenem Material läuft. Ein- oder mehrlagige Beschichtungen können im selben Abscheidezyklus aufgebracht werden.
Warum wird Argon für PVD verwendet?
Argon ist ein inertes Gas, das heißt, es kann sich nicht mit anderen Atomen oder Verbindungen chemisch verbinden. Dadurch tritt das Beschichtungsmaterial in der Vakuumkammer in die Gasphase ein, bevor es auf das Substrat aufgetragen wird.
Zusätzlich können reaktive Gase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Acetylen in die Vakuumkammer eingeleitet werden, um Verbindungen zu bilden, die während der Abscheidung sehr starke Bindungen zwischen der Beschichtung und dem Substrat eingehen. Obwohl die abgeschiedenen dünnen Schichten in ihrer Dicke von einigen Angström bis zu einigen Mikrometern variieren können, bilden sie sehr zähflüssige Beschichtungen, die sich für viele Anwendungen eignen, darunter dekorative, elektrische und andere funktionelle Beschichtungen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind endlos!
Von Mikroprozessoren bis hin zu Solarzellen – das PVD-Beschichtungsverfahren bringt einige der widerstandsfähigsten, hellsten und modernsten Technologien unserer Zeit hervor. Das Wichtigste dabei ist, dass PVD verfahren ohne giftige Rückstände aufgebracht werden können, die die Umwelt unseres Planeten schädigen. Die PVD-Technologie wird in der CNC-Technik sehr häufig eingesetzt.