Erreichbare Bohrtiefen - Geradegenutete Bohrer

3.4 Beschichtungen
Jeder feste Körper hat eine Oberfläche, deren Eigenschaften sein Verhalten und damit seinen Wert (als funktionalen
Bestandteil eines technischen Bauteils) entscheidend mitbestimmen. Entsprechend hoch ist die Bedeutung der Oberfläche
in fast allen Bereichen der Wirtschaft und entsprechend vielfältig sind die Verfahren, mit denen die Eigenschaften
von Oberflächen beeinflusst werden können. Durch Anwendung dünner Oberflächenschichten, die durch chemische
oder galvanische Verfahren, durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD – Verfahren) oder durch Aufdampfen oder Aufstäuben
(PVD – Verfahren) auf Werkzeug- oder Bauteiloberflächen erzeugt werden, lassen sich insbesondere bei korrosiven
und tribologischen Beanspruchungen erhebliche Verbesserungen der Gebrauchseigenschaften erzielen. Die Anwendung
der Kathodenzerstäubung wird schon seit langem praktiziert, jedoch erst mit der Entwicklung der Vakuumtechnik
und der Einführung von vollautomatischen Steuerungen konnte sie richtig weiterentwickelt werden. Heutzutage nehmen
Oberflächenbeschichtungsverfahren eine zunehmend wichtige Rolle ein, insbesondere durch ihre Flexibilität und durch
die optimale Reproduzierbarkeit der Prozessführung.
3.4.1 Vorbereitung der Werkstücke für die Beschichtung
Unter Vorbereitung wird eine Reihe von Vorgängen, die unmittelbar vor der Beschichtung ablaufen müssen, verstanden.
Die Entfettung erfolgt außerhalb der Beschichtungsanlage nach einer speziell ausgearbeiteten Methode, bestehend im
Wesentlichen aus mehreren Reinigungsstufen, in wässrigen Medien, z.T. in Ultraschallbädern.
Das Vorwärmen ist der erste in der Vakuumanlage auszuführende Prozessschritt und dient hauptsächlich der Freisetzung
verdampfbarer Stoffe, die die Werkstoffoberfläche eventuell belegen. Dadurch werden in Hinblick auf die Beschichtungsqualität
folgende Vorteile erreicht: Verringerung des Restgasgehaltes in der Vakuumkammer durch Ausheizen der Kammer
und Vorwärmen der Werkstücke. Dadurch werden auch im folgenden Prozessschritt der eigentlichen Beschichtung
störende Einwirkungen auf die Substratoberfläche vermieden. Durch das Vorwärmen der Werkstücke und die damit
erhöhte Oberflächenreinheit werden die Schichtbildungsbedingungen wesentlich verbessert. Die Werkstücktemperatur
beeinflusst u. a. auch die Schichteigenschaften.
Letzter Schritt unmittelbar vor der Beschichtung ist das sogenannte Ionenätzen. Die Werkstücke befinden sich in einer
sehr verdünnten, hochreinen Atmosphäre in der Vakuumkammer, in der durch eine Gasentladung hochenergetische
Edelgasionen erzeugt werden, die aus mehreren Ionenquellen stammen. Die Ionenquellen sind rund um die Werkstücke
angeordnet. Diese Ionen werden durch ein elektrisches Feld (Linearbeschleunigung) in Richtung zu den Werkstücken
beschleunigt, was auf der Werkstückoberfläche einen fein dosierten Materialabtrag durch Zerstäubung bewirkt. Eine
gleichmäßige Ätzung wird dadurch auch bei ungünstig geformten Teilen erreicht. Die Ionendichte, die den Ätzgrad
bestimmt, kann auf verschiedene Art gesteuert werden:
– durch den Inertgasdurchfluß bzw. Inertgasdruck
– durch die Leistung der Ionenquellen
– durch die an die Werkstücke angelegte Spannung.
Die Sättigung bzw. maximal mögliche Ionenkonzentration ergibt sich bei einer eingestellten Ionenquellenleistung aus
dem Verhältnis zwischen Inertgasdurchfluß und Inertgasdruck. Dieser Zusammenhang ermöglicht eine genaue Einstellung
der Prozeßparameter in Abhängigkeit von den geometrischen Gegebenheiten der Anlage so wie auch in Abhängigkeit
von der Art der installierten Ätzvorrichtung. Der Arbeitsbereich ist relativ eng, da für eine wirkungsvolle Ätzung die
Rate des Materialabtrages von der Werkstückoberfläche das Mehrfache der Rate der Oberflächenkontamination betragen
muss und höhere Energie bei hohen Ätzgeschwindigkeiten von den Werkstücken aufgenommen wird, was zu einer
erhöhten Temperaturzunahme der Werkstücke führt. Vorhandene Oxidschichten sowie durch die mechanische Fertigung
erzeugte Strukturfehler der Werkstückoberfläche, die die Haftung der Schicht beeinträchtigen können, werden mit dieser
Methode leicht entfernt.
Am Ende des Ätzvorgangs sind zwei Vorraussetzungen für eine einwandfreie Beschichtung erfüllt:
– hohe Oberflächenreinheit der Werkstücke
– richtige Werkstücktemperatur für die Beschichtung.
Erzielt wird somit die optimale Haftung zwischen Schicht- und Werkstückmaterial, wie sie bei einer galvanisch aufgetragenen
Beschichtung nicht erreicht werden kann.
3.4.2 Schichtbildungsprozeß bei physikalischer Abscheidung aus der Dampfphase
Die PVD-Technik (physical vapour deposition), physikalische Abscheidung aus der Dampfphase, umfasst Vakuumbeschichtungsverfahren,
deren Beschichtungstemperatur unter 500°C liegen. Die Verfahren unterscheiden sich im Wesentlichen
durch die Art der Überführung des Beschichtungswerkstoffs in die Dampfphase. Dieses erfolgt entweder durch
Zerstäuben infolge Ionenbeschuß oder durch Verdampfen des Schichtwerkstoffes. Wird zusätzlich eine negative Spannung
an die Werkstücke gelegt, um die Ionen des Beschichtungswerkstoffes oder die Ionen eines Arbeitsgases zusätzlich
zu beschleunigen, handelt es sich um ein sog. Ionenimplantierverfahren.
Die Herstellung dünner PVD-Schichten mittels Kathodenzerstäubung, mittels Bedampfung oder mittels Vakuum-Lichtbogenverdampfung,
verläuft grundsätzlich über drei Stadien:
1. die Überführung des Schichtmaterials in den gasförmigen Zustand,
2. der Transport des Dampfes durch die verdünnte Atmosphäre zwischen der Quelle und dem Werkstück,
3. die Kondensation des vor dem Werkstück angelangten Dampfes auf dessen Oberfläche, die Ausbildung einer dünnen
Schicht.
Die Überführung des Schichtmaterials in die Dampfphase erfolgt bei der PVD-Beschichtung mittels Kathodenzerstäubung
(Magnetron-Sputtering) durch den Beschuß einer Kathode, Quelle des Schichtmaterials, mit hochenergetischen
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