Oberflächentechnik Die Schicht entscheidet

Magnetron-Sputtern contra Arc-Verdampfung bei der Werkzeugbeschichtung im PVD-Verfahren. Die Beschichtung von Werkzeugen mit dünnen, verschleißfesten Schichten gehört nun schon seit etlichen...

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Die Beschichtung von Werkzeugen mit dünnen, verschleißfesten Schichten gehört nun schon seit etlichen Jahren zum Stand der Technik. Fast alle Zerspanwerkzeuge (Bohrer, Fräser, Wendeschneidplatten) werden mit wenigen mikrometerdicken Hartstoffschichten versehen, um ihre Leistungsfähigkeit deutlich zu steigern. Dabei haben sich vor allem titanbasierte Schichtsysteme wie TiN, TiCN oder TiAlN etabliert. Aufgrund der Entwicklung neuer Schichtsysteme (kohlenstoff- oder chrombasierte sowie borhaltige Schichten) gewinnt diese Schichttechnik auch im Bereich der Urform-, Umform- und Formwerkzeuge an Bedeutung. Diese Verschleißschutzschichten werden mit verschiedensten Verfahren der Vakuumdünnschichttechnik hergestellt. Vor allem die Verfahren der PVD-Technik (physical vapour deposition) haben sich in den letzen Jahren zusätzlich zu den CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) etabliert, weil sie sich durch niedrige Beschichtungstemperaturen und eine sehr hohe Flexibilität bezüglich möglicher Schichtmaterialien auszeichnen. Bei der Abscheidung harter Verschleißschutzschichten (Nitride, Karbide, Boride und zum Teil Oxide) konkurrieren vor allem zwei Verfahrenstechniken: Das Magnetron-Sputtern (Zerstäuben) und die Arc-Verdampfung (Lichtbogen-Verdampfung).Unterschiedliche Überführung der Metalle in die GasphaseAnders als bei der CVD-Technik werden bei den PVD-Verfahren nicht nur Gase, sondern auch feste Materialquellen (Targets) eingesetzt. Diese Targets bestehen üblicherweise aus der metallischen Komponente der herzustellenden Schicht. Die nichtmetallische Schichtkomponente (zum Beispiel Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff) wird in der Regel über die Gasphase zugeführt (reaktiver Prozess). Durch Steuerung des Gasflusses lässt sich die Zusammensetzung der Schicht sehr exakt einstellen.Moderne PVD-Anlagen enthalten typischerweise mehrere Materialquellen, sodass sich auch sehr komplexe Schichtzusammensetzungen und Schichtstrukturen erzeugen lassen. Die Verwendung von festen Materialquellen macht die PVD-Verfahren zu Sichtlinienprozessen. Die zu beschichtenden Teile müssen daher in der Anlage bewegt werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erreichen. Auch gibt es deutlich stärkere Einschränkungen bezüglich der Beschichtbarkeit komplexer Geometrien (zum Beispiel Hinterschneidungen und Sacklöcher) als bei der CVD-Technik. Die verschiedenen PVD-Verfahren unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Technik, mit der die feste Materialquelle in die Gasphase überführt wird. Die Targetgeometrie reicht dabei von kleinen Rundkathoden bis hin zu mehreren Meter langen Rechteckkathoden.Edelgasionen schlagen Atome aus Target herausBeim Magnetron-Sputtern werden die Targets über Zerstäubungsprozesse (Sputtern) abgetragen. Dazu wird an die Targets (Kathode) eine hohe elektrische Spannung (einige 100 V) angelegt und in einer Edelgasatmosphäre (typisch: Argon) eine elektrische Entladung gezündet. Edelgasionen treffen mit hoher Energie auf die Targetoberfläche und schlagen durch Impulsaustausch Atome heraus. Zur Verstärkung des Ionisationsgrades und damit der Beschichtungsrate werden hinter den Targets Magnetfelder angebracht (Magnetron-Sputtern). Weitere Magnetfelder können überlagert werden, um die Ausdehnung des Plasmas zu steuern und das Schichtwachstum zu beeinflussen (balanced/unbalanced mode).Das Verfahren weist nur einen geringen Ionisationsgrad des Materialdampfes aus. Es erzeugt aber sehr glatte, dichte und defektfreie Schichten. Die Verwendung hochfrequenter oder gepulster Spannungsquellen erlaubt auch die Zerstäubung isolierender Materialien. Weil bei der Zerstäubung keine schmelzflüssige Phase auftritt, können die Materialquellen frei im Raum angeordnet werden. Vor allem die Abscheidung optischer Schichtsysteme (Metalle und Oxide) sowie kohlenstoffbasierter Schichten ist eine Domäne der Sputtertechnik. Lichtbogen-Verdampfung der TargetoberflächeDie Arc-Technik nutzt einen kathodischen Lichtbogen zur Verdampfung des Targetmaterials. Ein Hochstrombogen (30 bis 200 A) wird mechanisch oder elektronisch zwischen einer Anode und dem Target gezündet. Aufgrund der hohen Energiedichte im Fußpunkt des Lichtbogens wird die Targetoberfläche aufgeschmolzen und verdampft. Der Lichtbogen läuft mit hoher Geschwindigkeit über die Targetoberfläche und trägt diese gleichmäßig ab. Weil die schmelzflüssige Phase nur sehr klein ist, können auch bei dieser Technik die Targets beliebig angeordnet werden. Allerdings entstehen bei der Lichtbogen-Verdampfung kleinste metallische Tröpfchen (Droplets), die sich als Störung in der Beschichtung wiederfinden. Die Dropletdichte und -größe hängt dabei vom Schmelzpunkt des Targetmaterials ab. Mit der Arc-Technik lassen sich nur elektrisch leitfähige Materialien verdampfen. Bei der Abscheidung klassischer Hartstoffschichten (zum Beispiel TiN und CrN) hat die Arc-Technik mittlerweile die Nase vorn.Vorzüge der Verfahren bei Prozess oder QualitätBeide Verfahrenstechniken befinden sich technisch auf einem sehr hohen Niveau und eignen sich auch als Fertigungsprozesse für eine Massenproduktion. Vorteile liefert die Arc-Verdampfung bei der Anlagentechnik. Weil die Quellen mit geringen Spannungen (<30 V) betrieben werden, sind sowohl die Generatoren preiswerter als auch der konstruktive Aufwand (Abschirmung) für die Quellen deutlich niedriger als bei der Sputtertechnik. Gleichzeitig sind die Prozesse robuster und reagieren weniger empfindlich auf Parameterschwankungen. Der hohe Ionisationsgrad des verdampften Materials erlaubt einen deutlich stärkeren Beschuss der Oberfläche mit Metallionen. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Schichthaftung und Schichthärte. Das ist allerdings verbunden mit einer höheren Beschichtungstemperatur.Die Sputtertechnik erzeugt dagegen deutlich defektfreiere Schichten und die Beschichtungstemperatur kann niedriger gehalten werden. Außerdem lassen sich verschiedenste Schichtzusammensetzungen sehr viel exakter einstellen und auch isolierende Materialien zerstäuben. In der Beschichtungsrate ergeben sich leicht Vorteile für die Arc-Verdampfung. Allerdings können beide Verfahren mit einer Energiedichte betrieben werden, dass sich die Grenze für Geschwindigkeit allein durch die Temperaturbelastbarkeit des zu beschichtenden Materials ergibt. Letztendlich entscheidet natürlich die gewünschte Schicht und deren Eigenschaften über die Wahl des richtigen Verfahrens. Manchmal hat der Anwender allerdings auch die Qual der Wahl.