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Projektbereich D
Lugscheider, Erich
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4 Teilprojekt D3 – Entwicklung und Verhalten von CVD-
Schichverbunden
4.1 Einführung in die Problemstellung
Die Aufgabe des Teilprojektes D3 ist die Entwicklung von mittels PECVD (Plasma
Enhanced Chemical Vapor Deposition) hergestellten Schichtsystemen zum Schutz von
Werkzeugen für die Formgebung von teilflüssigen Aluminiumlegierungen und Stählen.
Durch Verwendung geeigneter Beschichtungen konnten die Werkzeugeigenschaften,
insbesondere die Korrosionsbeständigkeit und die tribologischen Charakteristika,
wesentlich verbessert werden. Hierdurch konnte eine deutliche Verlängerung der
Lebensdauer der Werkzeuge erzielt werden. Neben der Abscheidung mittels PECVD
sowie der Charakterisierung der Beschichtungen wurden insbesondere auch
Tauglichkeitsuntersuchungen bei möglichst realitätsnahen Bedingungen mittels
Modelltests und schließlich die Herstellung und Erprobung realer Bauteile durchgeführt.
Die Untersuchungen wurden zunächst für die Aluminiumformgebung und dann für die
Stahlformgebung durchgeführt.
4.2 Angewandte Methoden und Anlagen
4.2.1 Abscheidung von Schichtsystemen mittels PECVD
Beim PECVD kann die Plasmaerzeugung durch eine elektrische Gasentladung erfolgen,
bei der freie Ladungsträger durch eine Potentialdifferenz beschleunigt werden. Die
Ionisierung und Anregung der Gasteilchen ermöglichen es, die Abscheidetemperatur im
Vergleich zur thermischen CVD zu senken. So können temperaturempfindliche
Werkstoffe, wie z.B. angelassene Stähle, beschichtet werden.
Das Arbeitsgebiet der PECVD-Verfahren liegt im Bereich der anomalen Gasentladung.
Bei der anomalen Gasentladung wird die gesamte Oberfläche des beschichteten
Werkstoffes, die üblicherweise als Kathode verwendet wird, von einem Glimmsaum
bedeckt, was eine gleichmäßige Beschichtung von Werkzeugen mit komplexer Geometrie
ermöglicht. Ferner besteht bei diesem Verfahren die Möglichkeit, die Substrate vor der
eigentlichen Schichtabscheidung durch eine geeignete Plasmabehandlung auf die spätere
Schichtabscheidung vorzubereiten und so nitridische, carbidische oder boridische
Diffusionsschichten zu erzeugen.
Um nicht leitende Schichtsysteme mit höherer Reproduktivität und Stabilität abzuscheiden,
wurde die PECVD-Anlage für die Verwendung von bipolarem gepulstem Plasma
umgebaut. Weitergehend wurde die Gasversorgung so modifiziert, dass die
Schichtdickenverteilung homogen wurde.
Die Beschichtungen wurden in der PECVD-Anlage (Bild D-60) aus Gasmischungen von
AlCl3, BCl3, O2, N2, C2H4, H2 und Ar mit Hilfe eines gepulsten bipolaren
Gleichstromplasmas abgeschieden. Es wurden der Einfluss der Temperatur, der
Plasmaparameter, wie z.B. die gesamte Kathodenleistungsdichte und die