Hauzer Techno Coating

Zerstäubungstechnik

Die Zerstäubungstechnik (sputtering) ist eine Methode der PVD-Beschichtungstechnik. Bei diese Methode wird das Beschichtungsmaterial durch das Bombardement von Ionen aus einem inerten Gas – meistens Argon – zerstäubt, d.h. in eine Dampfphase überführt.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung von einigen 100V zwischen dem Beschichtungsmaterial (Kathode) und einer Anode (meist Kammerwand der Vakuumanlage) zündet eine Gasentladung, die Elektronen und positive Argon Ionen enthält. Die Ionen werden so stark von der Kathode beschleunigt, dass sie beim Aufprallen auf das Beschichtungsmaterial einzelne Atome durch mechanischen Impulsübertrag aus der Oberfläche herausschlagen und somit in die Dampfphase überführt werden. Somit kann mann Objekte beschichten, die diesem Dampf ausgesetzt werden.

Um die Ionendichte von dem Beschichtungsmaterial und damit die Beschichtungsrate zu erhöhen, werden in der Kathode starke Magnete eingebaut, die die Ionen magnetisch einsperren. In diesem Fall spricht man von „Magnetron sputtern“. Da das Beschichtungsmaterial selbst während des Prozesses im festen Zustand verbleibt, können auch vielfältige Mischungen von unterschiedlichen Metallen (z.B. AlTi, AlTiV….) abgeschieden werden, ohne dass sich das Mischungsverhältnis über die Zeit verändert.

Zusätzlich zu dem inerten Argon Gas können in geringem Umfang reaktive Gase wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Acetylen oder andere Gase zugeführt werden, und damit oxidische-, nitridische- oder kohlenstoffhaltige Schichten (z.B. SiO2, TiN, TiCN….) abgeschieden werden. Somit sind mit dieser Technik eine wesentlich höhere Vielfalt von Beschichtungen möglich als mit jeder anderen (z.B. Bogenverdampfung). Diese Schichten zeigen relativ wenige Defekte, sind sehr glatt und eignen sich daher im besonderen Maße für dekorative Beschichtungen (zB. TiN, CrN, ZrN, TiCN……)

Ebenso wegen der Glattheit der Schichten werden sie in tribologischen Anwendungen z.B. im Automobilmarkt, eingesetzt, z.B. CrN, Cr2N und verschiedene Kombinationen von Diamant-artigen Schichten.

Die Sputtertechnik ist gekennzeichnet von folgenden Eigenschaften:

  • Wassergekühltes Beschichtungsmaterial (Target) so dass das Beschichtungsobjekt wenig Strahlungswärme ausgesetzt ist (so können auch Kunststoffe mit dieser Technik beschichtet werden)
  • Nahezu jedes Metall und Metallmischung können gesputtert werden
  • Nicht leitende Beschichtungsmaterialien (z.B. Keramiken) können auch mittels Mittelfrequenz- oder Hochfrequenz-sputtern (bei sehr kleinen Beschichtungsraten) abgeschieden werden
  • Oxidische, nitridische Schichten können im reaktiven Prozess abgeschieden werden
  • Sehr glatte Schichten
  • Die Kathoden (bis etwa 2 m. Länge) können in jeder Position – auch kopfüber – eingebaut werden und ermöglichen daher große Freiheiten bei der Konstruktion von Beschichtungsanlagen

Nachteile der Sputtertechnik:

  • Geringere Beschichtungsraten als bei der Arc-Technik
  • Wesentlich geringere Plasmadichte (Ionisationsrate ~5%) und daher geringere Schichthaftung und Dichte in Vergleich zur Arc-Technik.

Besondere Sputtertechniken
Hauzer bietet einige besondere Sputtertechniken, die den abgeschiedenen Schichten besondere Eigenschaften und eine höhere Wirtschaftlichkeit bieten

  • Magnetron-Zerstäuben erhöht durch zusätzliche Magnete die Plasmadichte vor dem Target (Beschichtungsmaterial) und führt damit zu höherer Schichtdichte und Beschichtungsraten.
  • UBM (unbalanziertes Magnetron). Mittels zusätzlicher Magnetspulen wird die Plasmadichte am Beschichtungsobjekt erhöht, sodaß die Schichteigenschaften (Dichte, Struktur, Härte…..) beeinflusst werden können. Dies führt allerdings auch zu erhöhter Temperatur des Beschichtungsguts.
  • Closed Field (geschlossenes Magnetfeld)-sputtern. Zusätzliche Magnetfelder, die die gesamte Beschichtungskammer umfassen „sperren“ die Ionen in einem Magnetkäfig ein, so dass sie in geringerem Maß zu den Kammerwänder entweichen können.
  • Dies führt zu höheren Beschichtungsraten (und geringerer Kammerverschmutzung) bei höherer Plasmadichte am Beschichtungsobjekt und damit verbesserten Schichteigenschaften

Dual Magnetron Sputtern

Anstelle einer Gleichstrom- oder gepulsten Gleichstromquelle wird zwischen zwei Kathoden eine Wechselstromquelle angeschlossen, so daß jede Kathode für eine gewisse Zeit als Anode dient. Auf diese Weise kann man einen Rücksputter Effekt (das Beschichtungsmaterial beschichtet sich selbst) erheblich reduzieren. Diese Technik wird vor allen Dingen bei der Hochrate Abscheidung von Oxiden (z.B. Al2O3) eingesetzt, weil sie das Entstehen von Lichtbögen (Arcs) erheblich reduziert, die zu Schäden an Kathode und Beschichtungsobjekt führen können

HIPIMS

Bei dieser Form deren Sputtertechnik erzeugt der Stromgenerater sehr kurze (µs) Hochleistungsimpulse, die Leistungsspitzen in Mega Watt-Bereich erreichen können. Mit dieser Technik kann der übliche Anteil der Metall-Ionen im Plasma, von 5% erheblich erhöht werden, so daß Schichten mit den Eigenschaften (Dichte, Haftung) von Arc-Schichten ermöglicht werden, ohne die Nachteile (Tropfen) der Arc Technik im Kauf nehmen zu müssen.

 

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