Erreichbare Bohrtiefen - Geradegenutete Bohrer

Teilchen aus einer Gasentladung. Die Kathode wird auch als „Target“ bezeichnet. Sie ist die Quelle des Schichtmaterials.
Die auf der Kathodenoberfläche mit hoher Stoßenergie eintreffenden Teilchen sind Edelgasionen, die Stoßkaskaden auslösen
und zur Emission von Teilchen des Beschichtungsmaterials in die verdünnte Gasatmosphäre führen.
Der Massentransport von schichtbildenden Teilchen bei ihrem Übergang aus der Kathode in die Gasphase kann verschieden
schnell erfolgen. Die Geschwindigkeit des Zerstäubungsprozesses (Sputterrate) wird im Wesentlichen durch
den zur Verfügung stehenden Ionenstrom bestimmt.
Bei der Kathodenzerstäubung sorgt eine Anordnung von i. d. R. zwei bis vier flachen Kathoden (sog. Planarmagnetronen)
in Verbindung mit einer Drehvorrichtung für die Werkstücke für eine gleichmäßige Beschichtung. Die Kathoden
besitzen dafür eine speziell konzipierte Magnetordnung, mit der eine sehr hohe Abtragungsrate von Titan aus dem sog.
Target (s.u.) erreicht wird. Das Magnetfeld schränkt das Plasma (Gas im ionisierten Zustand) unmittelbar vor der Kathodenoberfläche
ein, um dort eine hohe Konzentration von Edelgasionen (Plasmadichte) zu erreichen.
Die Überführung des Schichtmaterials in die Dampfphase kann alternativ durch Lichtbogenverdampfung realisiert werden.
Bei PVD-Beschichtung mittels Vakuum-Lichtbogenverdampfung wird auf eine aus dem Beschichtungswerkstoff
gefertigte Kathode (Target) eine negative Spannung angelegt. Die Wände der Vakuumkammer und das die Kathode
umgebende Kathodenschild bilden die Anode. Durch kurzzeitigen Kontakt einer drahtförmigen Zündelektrode mit der
Kathode wird ein Lichtbogen gezündet. Dieser greift die Kathode in einem sog. Kathodenfleck (engl. spot) an. Bei einem
Bogenstrom von 50A-100A wandert der Kathodenfleck, über die Oberfläche der Kathode und verdampft und ionisiert
dabei den Kathodenwerkstoff explosionsartig. Der Kathodenfleck hat eine Abmessung von nur wenigen Mikrometern.
Bei der Vakuum-Lichtbogenverdampfung beträgt der Ionenanteil von z. B. freigesetzten Metalldampf aus Titan bis zu
90%.
Der Entladungsbereich, der unmittelbar an den PVD-Verdampferquellen die höchste Energie besitzt, darf nicht die Werkstückoberfläche
berühren, was die Werkstückerwärmung während der Beschichtung maßgeblich verringert.
Drei Faktoren tragen hierzu bei:
– der Abstand zwischen Target- und Werkstückoberfläche
– die Kathodenleistung
– die Bias-Spannung.
Der Abstand zwischen der Kathode und dem Werkstück beeinflußt bei reaktiver PVD-Prozessführung nicht nur die Werkstückerwärmung,
sondern auch die Beschichtungsrate, den Streugrad des Beschleunigungsmaterials sowie in Abhängigkeit
von den technischen Daten der Vakuumanlage auch die chemische Zusammensetzung der abgeschiedenen
Schichten. Die Kathodenleistung resultiert aus den zwei Komponenten Strom und Spannung, die sich auf den Beschichtungsprozess
unterschiedlich auswirken. Die Stromstärke bestimmt im Wesentlichen die Zerstäubungs- bzw. Verdampfungsrate,
hingegen die Spannung die Ausdehnung und den Ionisierungsgrad des Plasmas. Die spezielle Kathodengeometrie
ermöglicht z. B. bei der Kathodenzerstäubung eine Verringerung der Spannung auf Werte weit unter 600 Volt und
eine Verringerung des Druckes bis in den Bereich 1x10E-3 mbar.
Im Stadium der Transportphase erfolgen bei einem Druck im Bereich von 1x bis 5x10E-3 mbar energiemindernde
Zusammenstöße (zwischen den schichtbildenden Ionen), die zu starken Richtungsänderungen des Ionenflusses und zu
chemischen Reaktionen in der Gasphase führen. Der Streugrad der schichtbildenden Ionen kann über die Stromstärke
auf den Kathoden exakt auf das gewünschte Maß einjustiert werden, da der Streugrad auch durch die Zerstäubungsrate
beeinflusst wird.
Im dritten Stadium der Kondensation und des Schichtaufbaus sind die Werkstücke dem Fluß des zerstäubten bzw. verdampften
Materials ausgesetzt. Durch eine wohl abgestimmte Intensität des einfallenden Ionenstroms wird auf der
Werkstückoberfläche eine hohe Keimbildungsrate, eine hohe Schichtaufwachsrate, eine Verdichtung des Schichtmaterials
und eine hohe Bereitschaft für chemische Reaktionen bewirkt.
Bei physikalischer Abscheidung aus der Dampfphase (PVD-Beschichtung mittels Kathodenzerstäubung, Vakuum-Lichtbogenverdampfung
u.a.) hingegen wird der Einbau von Gasen in die Schicht erzwungen, indem reaktive stickstoff-, kohlenstoff-
oder sauerstoffhaltige Gasmischungen gezielt zugeführt werden. Auf Grundlage der schichtbildenden metallischen
Gaskomponenten (Titan, Chrom, Aluminium etc.) lassen sich somit Nitride, Karbide und Oxide in Form einer dünnen
Schicht erzeugen.
Die zur Schichtabscheidung verwendeten Gas- und Metallkomponenten liegen im Plasma als positiv geladene Ionen vor.
An die zu beschichtenden Werkstücke wird eine negative Spannung, die Bias-Spannung, angelegt. Diese bewirkt eine
Beschleunigung der Ionen in Richtung Werkstück und erhöht damit ihre Energie. Die Schichtkomponenten aus dem
Plasma kondensieren auf der Oberfläche des Werkstücks und gehen in den festen Zustand über. Durch den Ionenbeschuß
der Werkstückoberfläche tritt ein Reinigungseffekt ein, bei dem nicht gut haftende Teilchen, wieder abgestäubt
werden. Somit werden die Dichte und andere Eigenschaften der Schicht wesentlich verbessert.
Mit den PVD-Beschichtungsverfahren lassen sich demzufolge Schichten mit hervorragenden Eigenschaften, wie optimale
Haftfestigkeit, hohe Härte, niedriger Reibungskoeffizient, hohe Packungsdichte, aus verschiedenen Legierungselementen
sehr gut reproduzierbar herstellen.
Die Beschichtungsraten liegen zwischen 1 bis 10 µm/h für das goldfarbene TiN. Die Schichten werden in der laufenden
Produktion mit einer Toleranz +/- 10% aufgebracht, jedoch können sie auch mit engeren Toleranzen hergestellt werden.
Die Prozessführung erfolgt automatisch nach voreingestellten Parametern. Ein Prozessrechner steuert den gesamten
Prozessablauf der Beschichtung, wobei verschiedene Menüs abrufbar sind, wie z.B.:
– Standard-Prozesse für TiN, TiCN, TiN/TiC, TiAlN bis hin zu komplexen Multischichtsystemen
– Prozesse für die Herstellung von Schichten mit gradierter chemischer Zusammensetzung im Schichtaufbau
– Manueller Eingriff in den Prozessablauf zur Veränderung der wesentlichen Ätz- und Beschichtungsparameter
– Veränderung von Funktionen und Regelgrößen der Prozesssteuerung
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