PVD Technik und Vorteile der physikalischen Gasphasenabscheidung
Die neue PVD-Beschichtungsanlage, die im CM Group-Werk in Vobarno (Brescia) installiert ist, sieht die physikalische Abscheidung mit kathodischer Lichtbogenverdampfung vor. Mit dieser Technik ist es möglich, ein breites Spektrum an Standardfarben sowie individuell angepasste Beschichtungen zu erhalten, die speziell auf die spezifischen Kundenbedürfnisse zugeschnitten sind. Alle PVD-Beschichtungen können mit Glanz-, Satin- oder Permuttfinish ausgeführt werden. Auch ist es möglich, kleine Chargen, Muster und Tests durchzuführen. Es können praktisch sämtliche Materialien in fester Form einer PVD-Beschichtung unterzogen werden: Eisen- und Nichteisenmetalle (Stahl, Edelstahl, Titan, Messing, Aluminium, Legierungen jeglicher Art), Glas und Kristalle, Keramik, Holz, Polymere und die meisten Kunststoffe
FORDERN SIE EIN KOSTENLOSES ANGEBOT AN
In diesem Artikel sprechen wir über die Techniken und die Industrie- oder Forschungsprozesse der PVD-Beschichtung mit physikalischer Gasphasenabscheidung:
1. PVD mit kathodischer Lichtbogenverdampfung 3. PVD gepulste Laserabscheidung |
1. PVD mit kathodischer Lichtbogenverdampfung
Die physikalische Gasphasenabscheidung mit kathodischem Lichtbogen oder Arc-PVD ist eine physikalische (und nicht chemische) Beschichtung, bei der ein Lichtbogen verwendet wird, um das Beschichtungsmaterial zu verdampfen und in einer dünnen Schicht auf dem zu beschichtenden Gegenstand aufzubringen. Bei dem Beschichtungsmaterial kann es sich je nach gewünschten Schattierungen und Farben um Titannitrid, Chromnitrid, Titancarbonitrid, Aluminiumnitrid, Titannitroxid usw. handeln.
Das Material, das sich auf dem zu beschichtenden Gegenstand ablagern soll, wird durch ein Kathodentarget verdampft und bildet durch Kondensation einen dünnen Film auf der Oberfläche in der Größenordnung von 0,5-2 μm.
Die Funktionsweise des kathodischen Lichtbogens basiert auf der Verdampfung des Materials bei Niederspannung und Hochstrom. Während der Verdampfung wird das Material der Kathodenoberfläche durch eine Kombination von intensivem Ionenbeschuss und ohmscher Erhitzung von einem festen Zustand in Plasma schnell umgewandelt. Die Kondensation des hochenergetischen Ionen-, Gas- und Kathodenstroms auf der Oberfläche des Gegenstands ermöglicht die Bildung von Beschichtungen mit sehr hohen Dichten und metastabilen Strukturen.
Die physikalische Gasphasenabscheidung mit Lichtbogen kann mit verschiedenen Techniken durchgeführt werden:
- Vakuumbogen: Das Plasma bildet sich zwischen den Elektrodenoberflächen. Ionen bewegen sich langsamer als Elektronen, im Plasma bildet sich eine positive Ladung und die positiven Ionen werden vom Plasma weg in Richtung höherer Energie getrieben. Das heißt, dass die Vakuumabscheidung ohne Erwärmung von einem hochenergetischen Ionenbeschuss begleitet wird.
- Anodenbogen: Elektronen verschmelzen und verdampfen die Anode. Die Stromdichte ist geringer als beim Vakuumbogen, es bilden sich keine geschmolzenen Partikel und der Ionisationsgrad des verdampften Materials ist geringer.
- Kathodenbogen: Kathoden können geschmolzen oder fest sein. Im zweiten Fall kommt es zur Bildung von Tröpfchen, die zu Defekten in der Oberfläche des Finishs führen können.
- Plasmabogen: Durch das Vorhandensein eines Magnetfelds werden die Elektronen im Plasma auf einer neutralen volumetrischen Ladung gehalten.
Das Merkmal aller PVD-Beschichtungen ist die Härte, die zum Schutz der Oberfläche des Grundmaterials erlangt werden kann.
2. PVD-Sputtern
Unter dem Begriff PVD-Sputtern wird der Prozess der physikalischen Gasabscheidung mit Ausstoß von Atomen infolge des Beschusses einer festen Oberfläche durch energetische Partikel verstanden.
Die Ionenquelle für den Sputterprozess wird durch eine Plasmaentladung erzielt.
Die Eindringtiefe der Ionen, die Größe der Kollisionskaskade und die Anzahl der entfernten Oberflächenatome hängen von der Masse und Energie der Ionen und von der Zusammensetzung und Struktur des Targets ab.
Häufig werden infolge des Ionenbeschusses auch Sekundärelektronen aus der Targetoberfläche ausgestoßen. Experimente zeigen deutlich, dass Edelgasionen die höchste Sputterleistung ergeben, weil die Inertgase nicht daran interessiert sind, die Elektronen zu „rauben“, die nötige sind, um eine Ionisationskollision in der Nähe der Kathode zu erzeugen.
PVD und Sputtern werden zuweilen als zwei unterschiedliche Beschichtungen angesehen, auch wenn es sich um denselben Prozess handelt: In beiden Fällen wird das Metall gasförmig in der Vakuumkammer verfügbar gemacht und kann sich auf den Teilen ablagern. Es handelt sich um subtile Unterschiede in der Modalität, in der das abzuscheidende Material zur Verfügung gestellt wird.
3. PVD gepulste Laserabscheidung
Die gepulste Laserabscheidung ist eine Technik der physikalischen Gasabscheidung, in der ein gepulster Hochleistungslaserstrahl in einer Vakuumkammer fokussiert wird, um das abzuscheidende Material zu treffen. Dieses Material wird in einer Plasmafahne verdampft, die es wie einen feinen Film auf dem zu beschichtenden Gegenstand ablagert. Dieser Prozess kann unter Ultrahochvakuum oder bei Vorhandensein eines Hintergrundgases erfolgen.
Während die Grundkonfiguration im Vergleich zu vielen anderen Abscheidungstechniken einfach ist, sind die physikalischen Phänomene der Laser-Target-Wechselwirkung und des Filmwachstums eher komplex.
4. PVD mit Elektronenkanone
Beim PVD-Prozess mit Elektronenkanone erzeugt ein heißer Glühfaden einen hohen elektronischen Strom, der Elektronenstrahl wird zwischen dem Glühfaden und der Anode bei hoher Spannung beschleunigt und anhand eines geeigneten Magnetfelds um 270° abgelenkt, sodass vermieden wird, dass der Glühfaden, der die Elektronen emittiert, dem zu verdampfenden Material ausgesetzt ist.
Die einfallenden Elektronen zerstreuen ihre kinetische Energie im Material, wodurch sich dieses erwärmt und dann verdampft. Mit dieser Technik können größere Wachstumsgeschwindigkeiten erzielt werden. Darüber hinaus sind die Filme reiner und haben ein regelmäßigeres Aussehen, weil das zu verdampfende Material lokal schmilzt und die Schmelztiegel auf einer relativ niedrigen Temperatur bleiben. Der wirkliche Nachteil dieser Technik liegt in den Röntgenstrahlen, die durch die Fahne der einfallenden Elektronen erzeugt werden und Teile von bereits in den Substraten vorhandenen Vorrichtungen beschädigen können. Untersuchungen zu Isoliermaterialien ermöglichen eine Steigerung der Zuverlässigkeit und Dauer der Kanone.
5. Thermische Verdampfung
Die thermische Verdampfung ist eine der ältesten Techniken der Dünnschichtabscheidung und wird inzwischen nur noch in Forschungslabors und nicht mehr im industriellen Bereich eingesetzt. In der einfachsten Form fließt ein Strom von beachtlicher Intensität durch einen Metalltiegel mit hoher Schmelztemperatur, um eine Reihe von grundlegenden Prozessstadien zu erreichen.
- Sublimation eines Feststoffes oder Verdampfung einer Flüssigkeit, um eine luftförmige Spezies zu bilden;
- Transport der Atome oder Moleküle von der Quelle zum zu beschichtenden Substrat;
- Ablagerung der Partikel auf dem Substrat und Wachstum des Films.
6. Die Vorteile der PVD-Dünnfilmbeschichtung
Die PVD-Technik ermöglicht, auf einfache Weise hochreine Filme mit guter Struktur zu erhalten, kann eine große Vielzahl von Verbindungen erzeugen, und zwar von einfachen Metallabscheidungen über Legierungen bis hin zu sowohl leitenden als auch isolierenden Verbindungen. Diese große Flexibilität kann als ein großer Vorteil angesehen werden. Die Möglichkeit, Ablagerungen zu haben, die sich vom Ausgangsmaterial unterscheiden, erlaubt in der Tat eine große Vielzahl an Finishs sowohl zu dekorativen Zwecken aufgrund der verfügbaren Farbpalette als auch unter funktionalem Aspekt aufgrund der chemisch-physikalischen Eigenschaften des Films, was Härte und Beständigkeit anbelangt. Das Ergebnis der Oberflächenbehandlung verleiht dem behandelten Gegenstand Eigenschaften, die über jede andere chemische oder elektrochemische Behandlung erhaben ist, und garantiert eine absolut nachhaltige Beschichtung mit geringer Umweltauswirkung, die hypoallergen und 100%-ig kompatibel für die Anwendung im Lebensmittel- und Medizinbereich ist.
FORDERN SIE EIN KOSTENLOSES ANGEBOT AN