Projektbereich D Lugscheider, Erich 383 Projektbereich D ... - SFB 289

Projektbereich D
Lugscheider, Erich
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2.3.1.1.1 Forschung und Entwicklung kristalliner, tetragonaler ZrO2-Schichten
mittels MSIP-PVD-Prozess unter Einsatz der Pulstechnik
Zirkoniumdioxid zeichnet sich durch hervorragende mechanische und thermische
Eigenschaften aus /Wong 96/. Exemplarisch seien hier hohe Verschleiß- und
Korrosionsfestigkeit, sowie hohe Bruchzähigkeit genannt. Aufgrund dieser Eigenschaften
werden ZrO2-Schichten für vielfältige Anwendungen genutzt. Dabei übernehmen ZrO2-
Schichten funktionelle Aufgaben wie:
Korrosions-/ Oxidationsschutzschichten
Erosionsschutzschichten
Verschleißschutzschichten
Wärmedämmschichten
Die Herausforderung im Umgang mit ZrO2 ergibt sich aus seiner Polymorphie
/Claussen 85/. Die thermodynamisch stabile Modifikation von reinem ZrO2 besitzt eine
monokline Kristallstruktur, die sich bei hohen Temperaturen (ca. 1170°C) zunächst in die
tetragonale (t) Phase und anschließend in die kubische Phase (ca. 2370°C) umwandelt.
Diese Umwandlung ist bei einem Abkühlvorgang mit einer anisotropen Volumenabnahme
von ca. 5% von der tetragonalen zur monoklinen Phase verbunden. Daher wurde bislang
die tetragonale Gitterstruktur von ZrO2 mit Fremdmolekülen wie CaO, MgO oder Y2O3
stabilisiert Es gibt zwei Gründe, die tetragonale Phase von ZrO2 bis hin zur Raumtemperatur
zu stabilisieren. Zum einen soll beim Hochtemperatureinsatz der Übergang
tetragonal monoklin unterdrückt werden, da durch den Volumenschwund bei diesem
Übergang Risse in der Schicht entstehen. Zum anderen soll die Zähigkeitszunahme durch
den Mechanismus der spannungsinduzierten Umwandlungsverstärkung genutzt werden.
Ziel dieses Arbeitspunktes war es, eine geeignete Beschichtungsparameterkombination zu
ermitteln, die eine Stabilisierung der tetragonalen Phase ohne Stabilisierungselemente
ermöglicht. Dazu wurde der reaktive Abscheideprozess an einer Magnetronsputteranlage
untersucht. Die variierten Beschichtungsparameter sind die Substrattemperatur, der
Beschichtungsdruck und der Sauerstofffluss. Zur Beschichtung wurde die Kathodenzerstäubungsanlage
Z400 der Fa. Leybold-Heraeus eingesetzt. Aus dem Einsatz des
bipolaren Pulsgenerators Bipulsar 1000/20 ergeben sich Vorteile wie die Senkung der
Prozesstemperatur, neue Schichtstrukturen, die Erhöhung der Prozessstabilität durch
Vermeidung der Targetaufladung, genannt Targetvergiftung, und höhere Schichtraten im
Vergleich zu HF-Sputtern. Der Schichtverbund bestand aus einem Wolfram-Haftvermittler
und der eigentlichen Funktionschicht aus ZrO2. In Tabelle D-1 ist eine Übersicht des
untersuchten Parameterfeldes aufgeführt.