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Oberflächentechnik mit Tiefgang

Verfahrenstechnologien und Anlagentechnik


Maximale Bauteilgrößen

Wir verfügen über Beschichtungskammern mit folgenden Arbeitsvolumina:

Verfahren & Schichtwerkstoff Durchmesser [mm] Höhe [mm]
PVD:       TiN, TiCN, TiAlN, CrN 550 550
PA-CVD:  DLC, XLC 650 550
CVD:       TiC>TiN, TiN>TiC 320 350

Standardmäßig handhaben wir problemlos Bauteilgewichte bis 50kg. Auf Anfrage können oftmals auch noch größere Abmessungen und Bauteilgewichte ermöglicht werden.


Verfahrenstechniken

Unsere Beschichtungsverfahren sind Gasphasenprozesse und unterscheiden sich bezüglich ihrer Charakteristik sowie der damit abscheidbaren Werkstoffe deutlich von Flüssigphasenprozessen, wie z.B. dem Galvanisieren.

Die Gasphasenprozesse werden in Physikalische (Kurzform PVD = Physical Vapor Deposition) und Chemische (Kurzform CVD = Chemical Vapor Deposition) Gasphasenabscheidungen unterteilt. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen diesen Prozessen bezieht sich auf die Bereitstellung des Schichtausgangsmaterials: Bei CVD-Prozessen werden alle Ausgangselemente gasförmig zugeführt, bei PVD-Prozessen befindet sich mindestens ein Ausgangsmaterial als Festkörper im Reaktionsraum. Beim CVD-Verfahren ist die Steuerung von chemischen Oxidations- und Reduktionsprozessen ergebnisbestimmend, bei PVD-Verfahren sind dies überwiegend physikalische Vorgänge, wie Verdampfung, Zerstäubung oder Kondensation. Eine Zwischenstellung nehmen die plasmagestützten CVD-Verfahren ein (Kurzform: PACVD = Plasma-Assisted CVD, oft auch PECVD = Plasma-Enhanced CVD): Dabei werden zwar alle Elemente über Gase zugeführt; die während der Schichtbildung ablaufenden Vorgänge können jedoch überwiegend physikalischer Natur sein.

PVD- und in gewisser Weise auch PACVD-Prozesse sind so genannte Sichtlinienprozesse. Dies bedeutet vereinfacht, dass nur die vom Target bzw. dem Kammervolumen aus sichtbaren Flächen beschichtet werden. Je mehr eine Fläche verdeckt oder in je flacherem Winkel sie einsehbar ist, desto dünner wird sie beschichtet. Dies ist insbesondere an Hinterschnitten, Bohrungen und anderen innenliegenden Flächen (mit Aspektverhältnissen größer als 1) zu beachten. Bei den PVD-Verfahren wird durch um mehrere Achsen rotierende Substratträgersysteme eine ansonsten dickenhomogene Beschichtung gewährleistet.

Bei thermisch aktivierten CVD-Verfahren findet an allen von den entsprechend homogen durchmischten Prozessgasen überstrichenen und erreichbaren Flächen ein annähernd isotropes Schichtwachstum statt. Selbst enge Schnitte oder Düsenbohrungen ab ca. 0,5 Millimeter Breite bzw. Durchmesser werden gleichmäßig und relativ dick beschichtet. Eine Rotation der Teile ist überflüssig und findet in der Praxis auch nicht statt.


PVD

Verfügbare Schichtwerkstoffe:

Reaktive Kathodische Bogenverdampfung

Das von uns bevorzugt eingesetzte PVD-Verfahren ist die sog. reaktive kathodische Bogen- bzw. Arc-Verdampfung. Die in Form eines Festkörpers, dem so genannten Target, vorliegende metallische Schichtkomponente (z.B. Titan) wird durch einen Lichtbogen verdampft. Findet die Verdampfung in Anwesenheit geeigneter reaktiver Gase (z.B. Stickstoff) statt, schlägt sich auf dem Werkstück eine chemische Verbindung aus Metall und Nichtmetall nieder, in diesem Beispiel das goldgelbe Titannitrid (kurz TiN). Durch eine gegenüber der Massepotenzial aufweisenden Reaktorwand angelegte, negative Spannung, die sog. Biasspannung (kurz "Bias"), wird die Beschichtung der Substrate forciert. Für eine ausreichende Haftfestigkeit und Reaktivität der Komponenten werden die Bauteile über Heizstrahler auf Prozesstemperaturen um 500°C erwärmt.

Die kathodische Bogenverdampfung ermöglicht das haftfeste Abscheiden intermetallischer Hartstoffphasen mit hohen Abscheideraten. Vom Target durch die Lichtbogeneinwirkung weggeschleuderte Metallspritzer (sog. Droplets) führen allerdings zu einer leicht erhöhten Eigenrauheit der erzeugten Schichten.

Wir besitzen mehrere DC-Arcverdampfungsanlagen von vergleichbarer Größe, wodurch wir sowohl eine hohe Verfügbarkeit der PVD-Beschichtungstechnik als auch kurze Lieferfristen bezüglich der am häufigsten nachgefragten Schichtsysteme gewährleisten können.

Reaktives Sputtern

Beim Sputtern oder Zerstäuben werden unter Hochvakuum Edelgasionen auf eine als Festkörper vorliegende Schichtkomponente, das so genannte Target, beschleunigt. Die Edelgasionen erodieren durch ihre hohe Aufprallenergie das Targetmaterial, d.h. schlagen aus diesem Atome heraus, die fortan dem Schichtbildungsprozess zur Verfügung stehen. Die Zuführung geeigneter reaktiver Gase ermöglicht das Abscheiden chemischer Verbindungen von aus dem Targetmaterial und aus der Gasphase stammenden Elementen. Auch bei diesem Verfahren wird zur Erzielung verbesserter Schichteigenschaften meist mit Biasspannung und Werkstückheizung gearbeitet.

Für die Werkzeug- und Bauteilbeschichtung hat die Sputtertechnik bisher weniger Verbreitung als die kathodische Bogenverdampfung gefunden. Begründet wird dies mit niedrigeren Wachstumsraten und etwas schlechteren Schichthaftfestigkeiten. Aktuelle Entwicklungen der Anlagenhersteller, wie die Hochleistungspulssputtertechnik, sollen diese Nachteile jedoch künftig weitgehend eliminieren. An der Sputtertechnik vorteilhaft sind relativ geringe Einschränkungen hinsichtlich des zerstäubbaren Festkörpermaterials. Auch kann das Schichtmaterial hinsichtlich seiner Stöchiometrie praktisch exakt dem Targetmaterial entsprechen. Zudem liefern Sputterverfahren Schichten mit sehr geringer Eigenrauheit.

Bei Bedarf können wir eine sputterfähige Anlage zum Einsatz bringen.


PACVD zur DLC-Abscheidung

Die Plasmagestützte CVD ermöglicht die Abscheidung amorpher Kohlenstoffschichten, der so genannten DLC-Schichten. Dabei werden gasförmig eingeleitete Kohlenwasserstoffe im Plasma in Kohlenstoffionen, Molekülradikale und Atome zerlegt. Atome und Molekülradikale kondensieren auf der Werkstückoberfläche. Die wachsende Schicht wird mithilfe einer negativen Substratvorspannung ständig mit geladenen Ionen und teils auch Molekülradikalen bombardiert, die dort auch wenige Atomlagen tief eindringen können. Die daraus resultierenden, kurzzeitigen und lokal stark begrenzten Erhöhungen von Temperatur und Druck können die Entstehung von "diamantähnlichen" Kohlenstoffbindungen zur Folge haben. Typisch für die mit PACVD erzeugten DLC-Schichten sind Anteile von 10% bis 60% "diamantähnlicher" Kohlenstoffbindungen.

Wir betreiben derzeit zwei PACVD-Anlagen für die Abscheidung wasserstoffhaltiger DLC-Schichten. Eine derselben ist von einer Reinlufteinhausung der Klasse ISO 6 bzw. (nach US-Fed. Std. 209) der Klasse 1000 umgeben und dient zur Beschichtung von Bauteilen und Komponenten für partikelkontaminationskritische Anwendungen.


Thermische CVD

Verfügbare Schichtwerkstoffe:

Bei Temperaturen um 1000°C reagieren geeignete, z.B. Metallchloride und Stickstoff oder Methan enthaltende Gasgemische zum Schichtwerkstoff. Die Reaktionen laufen mehrstufig ab und erfordern die Anwesenheit unterstützender Gase wie Wasserstoff. Aufgrund der hohen Reaktionstemperaturen sind unübertroffen gute Haftfestigkeiten möglich.

CVD-beschichtete Stahlsubstrate müssen allerdings durch eine abschließende Wärmebehandlung nachgehärtet werden, um das definierte Gefüge und die notwendige Stützwirkung des Grundwerkstoffes wiederherzustellen.

Wir betreiben gegenwärtig einen einzelnen, als Heißwand-Schachtofen konzipierten CVD-Reaktor.